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BUONAPART-E steht als leichter zu merkendes Kürzel für den eher sperrigen Titel „Better Upscaling and Optimization of Nanoparticle and Nanostructure Production by Means of Electrical Discharges“. Zu den 21 Partnern aus Industrie und Forschung gehören unter anderem die Universitäten Lund (Schweden), Delft (Niederlande) und Tampere (Finnland) sowie der Stahlkonzern ThyssenKrupp. Von den 10,4 Millionen Euro Projektmitteln kommen 7,8 Millionen von der EU. Die Gruppe um CENIDE-Professor Einar Kruis erhält 1,48 Millionen. Diese Chance will BUONAPART-E nun nutzen, um den Prozess der Nanopartikelsynthese so zu gestalten, dass künftig auch Mengen von 100 Kilogramm pro Tag produziert werden können – bei gleichbleibender Qualität und derselben Energieeffizienz.

Reaktorkammer

Die Wissenschaftler bedienen sich dabei der im kleinen Maßstab bereits gut etablierten Verdampfungsmethoden, bei denen durch Funkenschlag oder Plasmaentladung kleine Partikel gebildet werden. Solch ein Prozess ist sowohl sicher als auch flexibel, sodass es möglich ist, in kürzester Zeit durch Austausch der Elektroden ein anderes Material in Form von Nanopartikeln herzustellen. Dass es sich dabei um ein geschlossenes System handelt, hat gleich zwei Vorteile: Erstens kann das Trägergas, das die fertigen Nanopartikel umgibt, immer wieder verwendet werden, zweitens ist somit die Erzeugung metallischer Partikel möglich. Elektrischer Strom wird lediglich für die elektrischen Entladungen und für die Pumpen, die das Gas recyceln, benötigt.

„Immer wieder gibt es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft neue Ansätze, wie man Nanopartikel synthetisieren kann“, erklärt Projektkoordinator Kruis. „Für wissenschaftliche Zwecke mögen diese Methoden auch alle gut geeignet sein, aber es ist unwahrscheinlich, dass diese Prozesse auf industrielle Dimensionen zu erweitern sind. Das kann nur in einer interdisziplinären Kooperation zwischen Wissenschaftlern, industriellen Technologieanbietern und Endverbrauchern gelingen, so wie wir sie nun aufgebaut haben.“ Das Ziel ist es, einzelne Syntheseeinheiten zu optimieren, parallel zu schalten und auf diese Weise die Produktionsmenge zu erhöhen, ohne den relativen Energieverbrauch zu steigern oder Qualitätsverluste hinzunehmen. Die Projektlaufzeit beträgt vier Jahre.

Das Ergebnis ist eine äußerst homogene Silizium-Germanium-Legierung mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit. In einem Sonderheft über neueste Entwicklungen thermoelektrischer Materialien des „Journal of Materials Research“ (Jahrgang 26, Ausgabe 15) werden die Erkenntnisse veröffentlicht. Auf dem Bild sieht man Nils Petermann und Niklas Stein, denen die Synthese und Weiterverarbeitung der thermoelektrischen Nanostrukturen gelungen ist, neben dem Mikrowellen-Plasmareaktor.

Ein ideales Material für den Einsatz in der Thermoelektrik hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig eine geringe Wärmeleitfähigkeit – das Verhältnis der beiden Werte geht in den materialspezifischen Effizienzfaktor ZT ein. Um einen möglichst hohen ZT-Wert zu erreichen, verwendet man seit ungefähr zehn Jahren nanoskalige Materialien. Insbesondere Nano-Silizium weist aufgrund seiner größeren inneren Oberfläche in verarbeiteter Form eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit auf als Bulk-Silizium. Das Germanium verringert die Wärmeleitfähigkeit zusätzlich, indem es die harmonische Gitterschwingung des Siliziumkristalls stört. Die Einsatzmöglichkeiten von günstig hergestellten Thermogeneratoren reichen von der Industrie (z.B. Prozess-Abwärme) über Einsätze in Entwicklungsländern (z.B. Ofen, die minimale Temperaturunterschiede nutzen) bis hin zur dezentralen Energieversorgung im Allgemeinen, bei der Kabelverbindungen oder Stromspeicher unmöglich oder unpraktisch sind (z.B. Sensoren in Pipelines oder Flugzeugen).

Bei der klassischen Herstellung von Nanomaterialien für Thermogeneratoren wird zunächst ein Polykristall aus Silizium und Germanium hergestellt und anschließend per Mahltechnik zu Nanopartikeln zerkleinert. Ein umständliches und teures Verfahren. Im Gegensatz zu dieser Top-Down-Methode haben Schierning und Wiggers nun gemeinsam ein Bottom-Up-Verfahren etabliert, bei dem die Nanopartikel mit zuvor bestimmten Eigenschaften in einem Mikrowellen-Plasmareaktor entstehen. „In Expertenkreisen war klar, dass einer der nächsten Schritte darin bestehen würde, direkt kristalline Nanomaterialien für Thermogeneratoren zu synthetisieren“, erklärt die Ingenieurin. Doch sind viele Jahre Entwicklungsarbeit vonnöten, um auf diese Weise geeignete Partikel herzustellen. Entwicklungsarbeit, die an der Universität Duisburg-Essen bereits geleistet wurde, denn hier beschäftigt sich das Team um Wiggers seit Langem mit der Synthese spezifischer nanoskaliger Materialien. Die Zusammenarbeit der beiden Forscher im Rahmen verschiedener Projekte wie beispielsweise dem Ziel2-Projekt „NanoEnergieTechnikZentrum“, kurz NETZ, führte schließlich zum nun publizierten Ergebnis: In den Reaktoren entstanden maßgeschneiderte, nanoskalige Silizium-Germanium-Legierungen mit Phosphordotierung in nur einem Schritt.

Doch nicht nur der Umweg über den Polykristall entfällt mit der Gasphasensynthese; die neue Herstellungsweise bietet darüber hinaus weitere handfeste Vorteile: Die Mischung der Nanopartikel ist ausgesprochen homogen, da Silizium und Germanium schon in der Gasphase auf atomarer Skala gemischt werden. Dazu lassen sich Größe und Eigenschaften der Partikel bereits vor der Herstellung definieren. Und auch die Produktion großer Mengen Nanomaterialien ist kein Problem: Wiggers und sein Team stellten für die Arbeitsgruppe um Gabi Schierning rund 10 Gramm Nanopartikel in der Stunde her. Doch noch weit darüber hinaus ist die Produktion aufskalierbar – bei einer in Duisburg stehenden Anlage im Techikumsmaßstab liegt die Synthese schon jetzt in der Größenordnung „Kilogramm pro Stunde“.

Für die Zukunft haben sich die CeNIDE-Forscher vorgenommen, die elektrische Leitfähigkeit ihrer Partikel weiter zu erhöhen (ZT derzeit bis 0,8) und möglichst eine günstigere Alternative für das teure Germanium zu finden. Wie zukunftsweisend aber schon die momentanen Erkenntnisse sind, zeigt die Tatsache, dass die Wissenschaftler bereits zitiert werden, bevor ihre Veröffentlichung im „Journal of Materials Research“ erschienen ist.

J. Mater. Res., Vol. 26, No. 15, Aug 14, 2011 DOI: 10.1557/jmr.2011.117