TEIL C

Der Thermoelektrische Effekt / Seebeck-Effekt (TEGs) (XV)

Ebenfalls im Oktober 2013 veröffentlichen einige Fachblogs Informationen über einen mehrphasigen thermoelektrischen Wandler (Multiphase Thermoelectric Converter), der auf einen Douglas M. Ferreira Palte zurückgehen soll und auch schon zum Patent angemeldet sei (PTC/IB2011/054511), was allerdings nicht verifiziert ist.

Das TE-System ist für den sogenannten CrossFire Fusion Reactor des Erfinders gedacht, welcher sich außerdem auch noch mit einem Phase Displacement Space Drive beschäftigt und seine Innovationen mit einer Überfülle an Berechnungen und sehr ausführlichen Grafiken stützt – ohne bislang aber irgend etwas vorgelegt zu haben, das sich technisch auch praktisch überprüfen läßt. Ich beschränke mich daher auf diesen Verweis und überlasse es den Lesern, sich über die Machbarkeit dieses TE-Wandlers Gedanken zu machen.

Im November 2013 folgt ein Bericht der Clemson University in South Carolina, dem zufolge ein Physiker-Team um Prof. Terry M. Tritt am neu gegründeten Clemson Nanomaterials Center synergistisch zusammengearbeitetet habe, um eine neuartige Technik zur Steigerung der thermoelektrischen Leistung von n-Bismuttellurid zu entwickeln. Mit dabei im Team sind die Nanomaterial-Wissenschaftler Apparao Rao und Ramakrishna Podila sowie die Thermoelektriker Jian He und Pooja Puneet.

Bismut-Tellurid (Bi₂Te₃) ist ein geschichtetes TE-Material mit hohem Wirkungsgrad und kann mit einem Stapel Spielkarten verglichen werden, wobei jede Karte nur wenige Atome dick ist. Da herkömmliche Nanosierungsmethoden die Leistung von n-Typ Bismut-Tellurid nicht verbessern können, da sie alle Materialeigenschaften gleichzeitig herabstufen, entwickeln die Forscher ein neuartiges Verfahren, bei dem das Material zuerst in atomare dünne Schichten (ähnlich wie Graphen, das eine nur ein Atom dicke Schicht aus Kohlenstoffatomen ist) geschmolzen wird, um diese unter Verwendung eines Funkenplasmasinterprozesses anschließend wieder zusammenbauen. Dies ermöglicht es, die Materialeigenschaften des n-Typ Bi₂Te₃ auf eine hohe TE-Leistung anzuheben.

Bei dem neuen Ansatz werden in dem gesinterten n-Typ Bi₂Te₃sogenannte ,geladene Grenzflächendefekte’ (interfacial charged defects) erzeugt, die nicht nur die strukturellen Eigenschaften des Materials verbessern, sondern auch dessen thermoelektrische Effizienz über ein breites Temperaturspektrum, was es somit extrem kompatibel mit dem p-Typ Bi₂Te₃ macht und die Herstellung von effizienten TE-Geräten erlaubt.

Tritt leitet zudem das Department of Energy Center of Excellence zur Erforschung thermoelektrischer Materialien, das als eines der weltweit führenden Labore in diesem Bereich gilt. Das DOE fördert die Arbeiten für die nächsten drei Jahre mit 1,5 Mio. $ pro Jahr. Im August 2008 hatte Tritt übrigens den Governor’s Award for Excellence in Scientific Research erhalten.

Im Jahr 2014 berichten die Clemson-Forscher, daß sie in Zusammenarbeit mit Kollegen der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) eine neuartige Synthesestrategie zur Herstellung hochleistungsfähiger, thermoelektrischer, polykristalliner Pr-dotierter SrTiO₃-Keramiken entwickelt haben, die ebenfalls auf der Verwendung der Funkenplasmasintertechnik basiert (Pr = Praseodym, ein Selten-Erd-Lanthanoid). Damit gelingt es, einen ZT-Wert von 1,3 bei einer Temperatur von 500°C zu erreichen, was eine 70 %-ige Verbesserung gegenüber den bisherigen Werten bei dieser Temperatur darstellt.

Im Dezember 2013 veröffentlicht ein Team von Forschern des MIT und der University of California in Berkeley eine einfache und kostengünstige Methode, das große Potential von Graphen, Graphenoxid und anderen zweidimensionalen Materialien für den Einsatz in Solarzellen, bei der Wasserfiltration sowie in thermoelektrischen Geräten zu nutzen.

Während dem reinen Graphen einige wichtige Eigenschaften fehlen, die für elektronische Geräte benötigt werden, können diese Eigenschaften durch die Zugabe von Sauerstoff-Atomen erreicht werden. Die gegenwärtigen Verfahren verteilen die Sauerstoffatome jedoch unvorhersehbar über die Oberfläche des Graphens und beinhalten Behandlung mit scharfen Chemikalien oder bei Temperaturen von 700 – 900°C.

Unter der Leitung der MIT-Professoren Jeffrey Grossman und Angela Belcher (s.u. Viren-Batterie) entwickeln die MIT-Doktoranden Priyank Kumar und Neelkanth Bardhan, sowie zwei weitere in Berkeley, einen neuen ,milden thermischen’ Verarbeitungsansatz, bei dem das Material relativ niedrigen Temperaturen von nur 50 – 80°C ausgesetzt wird. Zudem ist keine zusätzliche chemische Behandlung erforderlich, die schädliche Nebenprodukte erzeugt. Außerdem kann die Methode leicht in einem großen Maßstab angewendet werden, was kommerzielle Anwendungen leichter umsetzbar macht.

Das Tieftemperatur-Temperverfahren modifiziert die Verteilung der Sauerstoffatome, wodurch sie Cluster bilden und die Bereiche von reinem Graphen zwischen ihnen verlassen, ohne irgendeine Störungen in der Graphenstruktur zu verursachen und dabei – was am wichtigsten ist – den Sauerstoffgehalt zu bewahren. Als Resultat der Sauerstoff-Gruppierung, welche die sauerstoffreichen Bereiche isolierend macht, während die reinen Graphenbereiche dazwischen leitend bleiben, kann der elektrische Widerstand des Materials um vier bis fünf Größenordnungen verringert werden.

Darüber hinaus weisen die reinen Graphenbereiche die natürlichen Eigenschaften von Quantenpunkten auf, die unter anderem als hocheffiziente Lichtemitter Verwendung finden könnten. Die neue Behandlung erhöht auch die Fähigkeit des Materials, sichtbares Licht zu absorbieren, und liefert eine 38 %-ige Verbesserung der Photonensammlung im Vergleich zu unbehandeltem Graphenoxid, was für den Einsatz in zahlreichen Anwendungen wie z.B. Solarzellen von Bedeutung sein könnte.

Auf der Abbildung ist der Vergleich von Graphenoxid vor (links) und nach (rechts) der neuen Glühbehandlung zu sehen. Das Graphenblatt wird durch gelbe Kohlenstoffkugeln, und die Sauerstoff- und Wasserstoffatome als rote und weiße Kugeln dargestellt. Das Glühen bewirkt, daß die Sauerstoffatome Cluster bilden, die Bereiche von reinem Graphen erzeugen (wie im rechten Bild gezeigt wird). Dies führt zu einer erhöhten Lichtabsorption, einer effizienten Lichtemission und einer verbesserten Leitfähigkeit von Elektronen, wie sie für thermoelektrische Umsetzungen entscheidend ist.

Und während die Gruppe von Grossman die potentielle Verwendung von Graphen in Solarzellen, solarthermischen Kraftstoffen, Entsalzungsfiltern und thermoelektrischen Geräten untersucht, befaßt sich die Gruppe von Belcher mit biologischen Anwendungen wie Sensoren für Krankheitserreger im Blut oder Abgabesysteme für Arzneimittel in bestimmten Bereichen des Körpers.

Im Januar 2014 berichtet ein Forscherteam des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) um Olivier Delaire und Jie Ma über den Einsatz der Neutronenstreuung an der Spallation Neutron Source (SNS) und dem High Flux Isotope Reactor (HFIR) um zu verstehen, wie man bessere thermoelektrische Materialien entwerfen kann. Eine weitere Charakterisierung wird am MIT mit der resonanten Ultraschallspektroskopie, sowie an der University of Tennessee mit Elektronenmikroskopie durchgeführt.

Dabei wird untersucht, wie die Verbindung Silberantimontellurid (AgSbTe₂) in der Lage ist, wirksam zu verhindern, daß sich Wärme auf dem mikroskopischen Niveau durch sie hindurch ausbreitet.

Wärme in Materialien wird durch quantisierte Schallwellen transportiert, den Phononen. Durch die Kartierung dieser Phononen und ihrer Wechselwirkungen mit der Atomarchitektur des AgSbTe₂ entdecken die Forscher, daß eine komplexe Struktur von nanoskaligen Domänen (kleine, lokale Strukturen innerhalb der größeren Struktur) für die erstaunlich geringe Wärmeleitfähigkeit der Verbindung verantwortlich ist – was deren thermoelektrische Eigenschaft verbessert.

Beim genauen Hinschauen sieht das Team ein Netzwerk aus zwei Gittern, von denen eines durch Tellur-Atome definiert wird, während Silber und Antimon das andere Gitter teilen, auf dem sie geordnete Nanodomänen formen. Beobachtungen des zweiten Gitters zeigen Flecken von Silber- und Antimonatomen mit unterschiedlichen Mustern, was belegt, daß nanoskalige Domänen mit lokalen Ordnungen die Komplexität der Nanostruktur und der Streuungsphononen erhöhen.

Eine ähnliche nanoskalige Struktur könnte in anderen Materialien repliziert werden, was zu immer wirksameren thermoelektrischen Vorrichtungen für Wärmerückgewinnungstechnologien führen würde. Hierfür wollen die ORNL-Wissenschaftler nun die entsprechenden Modellierungswerkzeuge entwickeln.

Im Oktober 2015 folgt die Meldung, daß das Team um Delaire zwischenzeitlich unter Verwendung von Neutronenstreuung und Computersimulationen die Grundphysik des kostengünstigen Zinn-Selenid untersucht haben, dem weltweit besten thermoelektrischen Material, wie das Kanatzidis-Team an der Northwestern University erst 2014 entdeckt hatte (s.o.).

Unter andere wurden nun die ersten umfassenden Messungen von Atomschwingungen in diesem Material durchgeführt, welche den Wärmestrom – d.h. die Phononen – stützen. Dabei wird auch der Ursprung der sehr niedrigen Wärmeleitfähigkeit entdeckt, der zu dem hohen Wirkungsgrad von Zinnselenid führt. Es stellt sich nämlich heraus, daß „ungewöhnliche Atomschwingungen dabei helfen, Wärmelecks zu verhindern“, was zu einer Maximierung der Umwandlung in Strom führt.

Die Abbildung zeigt die Umverteilung von elektronischen Wolken, welche eine Gitterinstabilität verursacht und den Wärmestrom im hocheffizienten Zinnselenid einfriert. Das Kristallgitter nimmt einen verzerrten Zustand ein, in dem die chemischen Bindungen zu einer akkordeonartigen Konfiguration gestreckt werden, und macht damit ein ausgezeichnetes Thermoelektrikum aus, weil die Wärmeausbreitung unterbunden ist.

Über neue Forschungen an der University of Colorado Boulder wird im Februar 2014 berichtet (Nanophononic Metamaterial: Thermal Conductivity Reduction by Local Resonance). Hier gelingt es Prof. Mahmoud I. Hussein und seinen Doktoranden Bruce Davis die Leistung thermoelektrischer Materialien durch die Nutzung einer Reihe von ,nanoskaligen Säulen’ radikal zu verbessern.

Das nanophononische Metamaterial, bei dem diese winzigen, nanotechnologisch hergestellten Säulen direkt auf das thermoelektrische Material aufgebracht sind, stellt einen völlig neuen Ansatz für ein Problem dar, das die Thermoelektrik seit ihrer Geburt eingeschränkt hat – da die Säulen die Wärmeübertragung effektiv verlangsamen, ohne dabei aber die Bewegung von Elektronen zu beeinträchtigen.

Hitze wird als eine Serie von Vibrationen durch Material geleitet, den Phononen. Doch auch die Atome, welche die Miniaturpfeiler bilden, schwingen bei einer Vielzahl von Frequenzen. Hussein und Davis verwenden ein Computermodell, um zu zeigen, daß die Schwingungen der Säulen mit den Schwingungen der Phononen in Wechselwirkung treten und den Wärmefluß reduzieren würden – schätzungsweise um mindestens die Hälfte.

Im März 2014 folgt die Meldung, daß Forscher der University of Utah um Ashutosh Tiwari eine Spintronik-basierte Dünnfilmvorrichtungen hergestellt haben, die sie als spintronischen thermoelektrischen Energieerzeuger bezeichnen. Die Spintronik ist ein neuer Zweig der Elektronik, der sowohl die Ladung als auch den Spin von Elektronen nutzt.

Die Geräte arbeiten bei Raumtemperatur und erfordern auch nicht die kontinuierliche Anwendung eines externen Magnetfeldes, wie es bei den meisten Versionen in früheren Untersuchungen erforderlich war, um die Vorrichtung magnetisiert zu halten.

Der wichtigste und faszinierende Aspekt der Studie ist, daß die Geräte nicht aus traditionellen thermoelektrischen Materialien bestehen, die bei Erwärmung einfach aufgrund der Bewegung von Ladungsträgern eine Spannung erzeugen. Die Spintronik-basierten Geräte basieren statt dessen auf einem völlig anderen Konzept, das als Spin-Kaloritronik bekannt ist. Hier kommt es zu einem thermischen und einem elektrischen Transport in verschiedenen Teilen des Geräts.

Die Spin-Kaloritronik selbst ist ein junger Forschungszweig der aktuellen Festkörperphysik mit dem Ziel, das Grundlagenwissen über den gekoppelten Ladungs-, Spin- und Wärmetransport zu erweitern.

Zur Herstellung ihrer spintronischen thermoelektrischen Vorrichtungen lassen die Wissenschaftler unter Verwendung eines gepulsten Lasers Dünnfilme aus Bismut-dotiertem YIG (Bi-YIG) abscheiden (Bi-dotierter Yttrium-Eisengranat, Bi_xY_3-xFe₅O₁₂). Die Technik dazu hatte ein japanisches Team der Kyushu University und der Kyushu Electric Power Co. Inc. bereits 2002 beschrieben.

Die Utah-Forscher gehen einen Schritt weiter und lassen über dem Bi-YIG-Film mittels Elektronenstrahlverdampfung eine 10 nm dicke Platinschicht abscheiden. Anschließend wird die zweischichtige Struktur für einige Minuten in eine Magnetfeld gehalten, um den Bi-YIG-Film magnetisch zu polarisieren. Wenn das externe Magnetfeld anschließend entfernt und ein Temperaturgradient über die Doppelschicht gelegt, führt dies im Bi-YIG zu einem Strom von niedrig liegenden Erregungen lokalisierter Spins, die als Magnone bekannt sind. Wenn dieser Magnonstrom in die Platinschicht eindringt, wird er durch einen Prozeß, der als inverser Spin-Hall-Effekt bekannt ist, in eine Ladungsspannung umgewandelt.

Der Trick der Forscher bestand darin, auf der Oberfläche der Bi-YIG-Filme eine sehr große Rauhigkeit zu erzeugen, indem Laserpulse mit sehr hoher Energiedichte verwendet wurden. Grobe Oberflächen führen nämlich zu sehr großen Streufeldern, die wiederum zu einer großen magnetischen Koerzitivkraft in den Filmen führt (Die Koerzitivkraft ist das Maß für die magnetische Feldstärke, die erforderlich ist, um den Restmagnetismus eines magnetischen Speichermediums vollständig zu beseitigen). Aufgrund der großen Koerzitivkraft bleiben die Geräte, einmal magnetisiert, auch weiter magnetisiert und benötigen kein externes Feld für den Betrieb.

Die Studie wird von der National Science Foundation (NSF) und dem Material Research Science and Engineering Center der University of Utah gefördert.

Im April 2014 stellen Forscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) um Prof. Byung Jin Cho einen leichten, flexiblen und hocheffizienten thermoelektrischen Generator vor, der die Körperwärme nutzen kann, um die Batterielebensdauer von tragbaren Geräten mit geringer Leistung zu verlängern.

Die bisher entwickelten thermoelektrischen Generatoren basieren entweder auf organischen oder anorganischen Materialien. Erstere sind zwar sehr, aber ziemlich ineffizient, während die letzteren eine höhere Leistung zeigen, aber auch schwer und starr sind. Das  KAIST-Team schafft es nun, das Beste aus beiden Welten zu nutzen, indem es aus thermoelektrischen Materialien vom n-Typ (Bi₂Te₃) und p-Typ (Sb₂Te₃) flüssigkeitsähnliche Pasten herstellt und diese durch eine Siebdrucktechnik auf ein flexibles und leichtes Glasgewebe aufdruckt.

Die Pasten durchdringen die Maschen des Gewebes und erzeugen Filme aus TE-Materialien in einer Dicke von mehreren Hundert Mikrometern. Als Ergebnis werden hunderte von mikroskopisch kleinen n-leitenden und p-leitenden TE-Materialpunkten auf eine bestimmten Fläche des Glasgewebes gedruckt, die ordentlich nebeneinander angeordnet sind.

Der Hauptvorteil dieser neuen Konstruktion liegt darin, daß die sie keine zusätzlichen dicken Außenschichten benötigt, um die Struktur mechanisch zu tragen. In früheren Designs war es genau dies, was thermoelektrische Generatoren so sperrig, schwer, starr und ineffizient machte. In dem neuen Design umschließt stattdessen das Glasgewebe die thermoelektrischen Materialien, ohne dabei die Dicke, die Flexibilität oder den Wirkungsgrad zu beeinträchtigen, was interessante neue Anwendungen in der tragbaren Elektronik eröffnet.

Ein Armband mit einer Fläche von 10 x 10 cm soll nur etwa 13 g wiegen und bei Raumtemperatur eine Leistung von 40 mW erreichen. Auch nachdem der Generator 120 Mal gebogen wurde, zeigt er immer noch die gleiche Leistung. Und obwohl dem KAIST zufolge auch die Herstellung einfach sei, ist von einer praktischen Umsetzung bisher nichts zu sehen.

Im Jahr 2015 wird das KAIST gemeinsam mit dem IDIM Design Laboratory mit einen Red Dot Design Award ausgezeichnet – für eine Snow Energy genannte, mit einem thermoelektrischen Generator betriebene tragbare Lampe, die auch als Smartphone-Ladegerät agieren kann. Sie funktioniert, indem heißen Wasser in die Thermosflasche gegossen wird, die dann irgendwo kalt gestellt wird. Auch in diesem Fall ist von einer Umsetzung bislang aber noch nichts zu sehen.

Die nächste Meldung vom Mai 2014 stammt wieder einmal aus dem MIT, wo es diesmal Prof. Gang Chen und sein Team sind, die behaupten, endlich eine theoretische Erklärung für die Unterschiede gefunden zu haben, warum nur ein paar Materialien für thermoelektrische Geräte verwendet werden können, während die meisten anderen nicht gut funktionieren. Durch konventionelle Theorien des Wärmestroms konnten die zugrundeliegenden Gründe bislang nicht erklärt werden.

Die Lösung des Jahrzehnte alten Geheimnisses, warum ein Material eine niedrige Wärmeleitfähigkeit hat, während ein anderes, das ihm sehr ähnlich ist, diese nicht aufweist, fand sich in ganz anderen Bereichen, einschließlich der Forschung an Phasenwechsel-Materialien. Diese ändern sich in Abhängigkeit von einer Temperaturänderung von einer geordneten, kristallinen zu einer ungeordneten Struktur – und können mit einer weiteren Temperaturänderung wieder ,zurückgeschaltet’ werden.

Eine Analyse der Phasenwechsel-Materialien zeigt, daß sie aufgrund einer besonderen Art von chemischer Bindung funktionieren, der sogenannten Resonanzbindung, bei der Elektronen zwischen mehreren benachbarten Atomen hin und her schlagen. Die Abbildung zeigt die berechnete Elektronendichteverteilung der Resonanzbindung innerhalb von Bleitellurid, eines der Materialien, deren Eigenschaften das Team untersucht.

Doch während die Auswirkungen der Resonanzbindungen auf elektrische und optische Eigenschaften bereits untersucht werden, z.B. als potentielle Basis für Computer-Speichergeräte, die ihre Informationen auch bei abgeschalteter Stromversorgung behalten würden, hat bislang niemand ihre Wirkung auf thermische Eigenschaften getestet. Erst interdisziplinäre Treffen am MIT bieten die Grundlage für die neue Forschung.

Dabei stellt sich heraus, daß das ,Flippen’ in resonanten Bindung zu weitreichenden Wechselwirkungen zwischen ihren Atomen führt – und zu der niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Materials. Mit Hilfe von Berechnungen gelingt es zu zeigen, daß dieser Effekt die bekannte Diskrepanzen zwischen ähnlichen Materialien mit niedriger und hoher Wärmeleitfähigkeit erklären könnte. Was wiederum zur Entdeckung neuer, verbesserter Materialien führen könnte, die auch eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Um für thermoelektrische Geräte geeignet zu sein, muß ein Material eine niedrige Wärmeleitfähigkeit mit hoher elektrischer Leitfähigkeit verbinden. Herauszufinden, welche Materialien diese Kombination von Eigenschaften besitzen, erfordert nun noch weitere Forschung. Die Arbeiten, an denen auch Kollegen der Rutgers University in New Jersey und der University of Notre Dame du Lac in Indiana beteiligt sind, werden zum Teil vom U.S. Department of Energy und vom Department of Defense unterstützt.

Im gleichen Monat berichtet Prof. Zhifeng Ren von der University of Houston (UH), der im übrigen auch Mitbegründer der Firma GMZ Energy Inc. war (s.o.), über die Entdeckung eines neuen thermoelektrischen Materials das bei Temperaturen von der Raumtemperatur bis zu 300°C eine hohe Leistung bietet.

Hierfür verwenden Ren und sein Laborteam, an dem u.a. Jiehe Sui vom Harbin Institute of Technology in China sowie Forscher des Fachbereich Chemie der UH und des Massachusetts Institute of Technology beteiligt sind, eine Kombination aus Magnesium, Silber und Antimon – die noch besser funktioniert, als sie zusätzlich eine kleine Menge Nickel hinzufügen. Die Gruppe ist allerdings nicht der erste, die das neue Material studiert, das nicht näher bezeichnet, sondern nur MgAgSb-basiert genannt wird.

Bereits im Jahre 2012 hatten M. J. Kirkham et al. eine Arbeit veröffentlicht, in der sie die Verwendung von Magnesium, Silber und Antimon in gleichen Teilen beschrieben, was aber zu Verunreinigungen und schlechtleitenden Eigenschaften führte. In Rens Labor wird nun festgestellt, daß der Gebrauch von etwas weniger Silber und Antimon, und das separate Mischen der Elemente – wobei zuerst Magnesium und Silber in die Kugelmühle gelangen, während das Antimon nach mehreren Stunden Mahlprozeß hinzugefügt wird – die Verunreinigungen beseitigt und die thermoelektrischen Eigenschaften deutlich verbessert.

Die Abbildung zeigt ein Transmissionselektronenmikroskopbild des neu entdeckten thermoelektrischen Materials. Die kleinen Körner verringern die Wärmeleitung, wodurch die thermoelektrische Energieerzeugung effizienter wird.

Die dritte Meldung im Mai 2014 kommt aus der University of Miami, wo Forscher um Prof. Joshua Cohn vor kurzem die ,überraschenden’ thermoelektrischen Eigenschaften eines Metalls namens Lithium Purpur-Bronze (LiPB) entdeckt haben.

Nützliche thermoelektrische Materialien erzeugen bei einer gegebenen Temperaturdifferenz eine hohe Spannung, deren Verhältnis als thermopower (Seebeck-Koeffizient) bekannt ist. Das LiPB besteht aus ausgerichteten leitenden Ketten. Die Forscher fanden nun heraus, daß dieses Material sehr unterschiedliche Koeffizienten hat, je nachdem ob die Temperaturdifferenz parallel oder senkrecht zu den leitenden Ketten auftritt.

Wird ein elektrischer Strom in einer Richtung angelegt, die leicht von jener der Ketten abweicht, fließt die Wärme senkrecht zum Strom, ein Phänomen, das als transversaler Peltiereffekt bekannt ist. Die Effizienz dieses Effekts ist in LiPB eine der größten, die für eine einzige Verbindung bekannt sind.

Daß in einer einzigen Verbindung eine so große Richtungsdifferenz beim Seebeck-Koeffizienten existiert, ist außerordentlich selten und macht viele neue Anwendungen möglich. Dies ist von Bedeutung, da transversale Peltier-Vorrichtungen typischerweise ein Sandwich aus verschiedenen Verbindungen verwenden, das nur kompliziert und teurer herzustellen ist.

Dem Team zufolge könnte das Material nützlich sein, so wie es vorliegt. Die größere Konsequenz der Arbeit sei jedoch, daß die Zutaten, die seinen speziellen Eigenschaften zugrunde liegen, als Leitfaden für die Suche nach neuen und verbesserten Materialien dienen können.

Ebenfalls im Mai 2014 erscheint in den Blogs eine ,Reinkarnation’ der thermoelektrischen Sturmlaterne LUFO von 2003 (s.o.) - diesmal allerdings ohne Radio, sondern zeitgemäß mit einem integrierten Akku nebst USB-Ausgang.

Und noch einen signifikanten Unterschied gibt es: Das Stove Lite Pro der US-Firma Tegpro aus Randolph, Vermont, sieht zwar aus wie eine Petroleoumlampe, leuchtet aber nicht mit einem brennenden Docht, sondern mit einer LED. Aufgeladen wird deren Akku, indem man die Stove Lite Pro, in deren Boden ein thermolektrisches Modul eingebaut ist, auf einen Holzofen oder eine ähnliche Wärmequelle stellt. Und natürlich läßt sie sich auch über einen 110 V-Stecker öaden.

Das Licht der Stove Lite Pro kann gedimmt werden und soll bei vollem Akku  noch für zuwölf Stunden leuchten, nachdem man die Lampe vom Ofen genommen hat. Die Grundversion Stove Lite Basic spendet dagegen nur Licht, so lange sie auf dem Ofen steht, und hat auch weder einen Dimmer, noch den integrierten Akku mit USB-Anschluß.

Die Kickstarter-Finanzierungskampagne, bei der eine Stove Lite Basic inklusive Versand umgerechnet rund 79 €, und eine Stove Light Pro etwa 114 €  kosten soll, legt im Juni allerdings eine Bruchlandung hin, als noch nicht einmal die Hälfte des Ziele von 80.000 $ erreicht wird, da 191 Förderer nur 28.986 $ zusammenbringen – was immer auch der Grund dafür ist. Nun soll eine limitierte Menge der Stove Lite Pro im Herbst 2016 zum Verkauf angeboten werden.

Im Juni 2014 veröffentlicht der Luftfahrtingenieur und Erfinder Gianluca Gamba sein Design PELTY, ein Bluetooth-fähiger Lautsprecher mit eingebautem thermoelektrischen Wandler, mit dem ohne die Notwendigkeit von Batterien oder Kabeln vom iPhone gestreamte Musik abgespielt werden kann – ausschließlich betrieben durch die Hitze einer Kerze.

Der verwendete 12 W Lautsprecher des Prototypen, an dem Gamba anderthalb Jahre gearbeitet hat, und dessen Name eine Hommage an den Peltier-Effekt darstellt (was natürlich nicht ganz korrekt ist, da dieser ja die Kühlfunktion der Thermoelektrizität betrifft, s.u.), soll sich mit einem einzigen Teelicht bis zu fünf Stunden lang betreiben lassen.

Das in Italien in Handarbeit aus Keramik, Glas und Holz gefertigte PELTY soll in schwarz oder weiß angeboten werden und 360 $ kosten. Die nun von Edoardo Bosio aus Milano gestartete Indiegogo-Kampagne, bei welcher das TE-Gerät für 269 $ angeboten wird, bringt bis August statt der erhofften 100.000 $ aber gerade einmal 40.431 $ durch 226 Interessenten. Trotzdem nimmt die Firma Pelty s.r.l. weiter Vorbestellungen entgegen.

Dem Stand von Ende 2016 zufolge existiert inzwischen zwar ein optimiertes Design – eine Produktion und Auslieferung hat aber noch immer nicht begonnen.

Ein Forscherteam der Harvard University um Yuki Sato und Salvatore Savo, an dem auch die Kollegen Massimo Moccia, Giuseppe Castaldi und Vincenzo Galdi von der Universität von Sannio in Italien beteiligt sind, berichtet im Juli 2014, daß es Computersimulationen für eine neue Art von Metamaterial entwickelt habe, das die Fähigkeit besitzt, Wärme und elektrischen Strom unabhängig voneinander zu steuern.

Um ein System für die getrennte Steuerung von Wärme und Strom zu entwickeln, stützen sich die Forscher auf Theorie der ,Koordinaten-Transformation’, die am häufigsten mit Versuchen verbunden ist, Metamaterialien mit der Fähigkeit zu schaffen, Objekte unsichtbar zu machen. Solche Metamaterialien arbeiten mit Licht wie mit einem ständig fließenden Fluß und wirken wie Kanäle, die den Lichtfluß um einen Gegenstand herum lenken und ihn für einen äußeren Beobachter weitgehend unsichtbar machen.

Mit ähnlichen Prinzipien ist das Team in der Lage, ein Modell mit der Fähigkeit zu schaffen, elektrischen Strom um einen Gegenstand herum zu biegen und gleichzeitig Wärme auf das gleiche Objekt zu ziehen. Ihr Modell verwendet ein Kohlefaser- und Graphitsubstrat mit Tausenden von ,Einschlüssen’, winzigen elliptischen Flächen aus Aluminiumnitrid und leitfähigem Silber-Epoxid, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Aluminiumnitrid leitet gut Wärme, aber nicht Elektrizität, während für Silber das Gegenteil gilt.

Durch die Verwendung von zwei Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften wird ein bevorzugter Strompfad und ein separater Pfad für Wärme geschaffen. Diese Pfade sind aus verschiedenen Materialien, so daß die Elektrizität ausgerichtet werden kann, um ein zylindrisches Objekt herum zu laufen, während die Wärme darauf gezogen wird. Bevor diese Generatoren konkurrenzfähig werden, muß aber noch ihre Fähigkeit, Wärme in Strom umzuwandeln, erhöht werden.

Im Oktober 2014 erscheint in den Blogs der Entwurf eines mobilen thermoelektrischen Generators, der von einem Entwicklerteam des Industrial Technology Research Institute (ITRI) in Taiwan stammt und den aktuellen den Best of Best Red Dot Award gewonnen hat.

Das namenlose Gerät, das einfach als Energy Harvesting-Thermoelectric (EH-T) Generator bezeichnet wird, beinhaltet eine spezielle thermoelektrische Energiemanagement-Chip-Technologie sowie ein effizientes Maximum Power Point Tracking (MPPT) System. Damit kann Elektrizität geliefert oder durch den Chip in der Batterie gespeichert werden, solange die Temperaturdifferenz des Generators über zwei Grad liegt.

Das Energiemanagement überwacht die Energieerntetechnik, und den Betriebszustand zu optimieren, sowie die Ausgangsspannung, die sich von 15 mV auf 1,2 V oder mehr erhöhen läßt. Das speziell für den Außenbereich konzipierte EH-T, das mit einem starken Magneten ausgestattet ist und natürlich einen USB-Anschluß hat, besitzt zudem eine Reihe funktionaler Module, die vorn und hinten angebracht werden können, um daraus eine Taschenlampe, eine Laser-Positionierungsführung für Notfälle oder einen Lautsprecher zur Unterhaltung zu machen.

Das Ziel des Teams ist es, das Designkonzept zu einem echten Produkt zu machen. Derzeitiger Schwerpunkt ist die Verbesserung der Eigenschaften des thermoelektrischen Chips zur Optimierung der Energieumwandlungseffizienz.

Mit der Thermoelektrik beschäftigt man sich ITRI aber schon länger. Unter anderem war hier mit einem schnellen Erstarrungsverfahren ein patentierter thermoelektrischer Nanokomposit auf Bismut-Tellurid-Basis entwickelt worden, dessen ZT-Wert von ~ 1,57 Weltklasse-Niveau erreicht. Zusammengesetzt werden daraus sehr zuverlässige und hitzebeständige thermoelektrische Generatormodule gebildet, die Betriebstemperaturen von über 450°C aushalten. Bei einer Temperaturdifferenz von 200°C kann die Umwandlungseffizienz des TEG-Moduls bis zu 6 % betragen.

Für die Innovation dieser Thermoelektrischen Material- und Modultechnik (TEMM) wird das ITRI im Jahr 2012 mit dem R & D 100 Award ausgezeichnet.

Inzwischen bietet das Institut auch individuelle thermische Stromerzeugungsmodule nach spezifischen Anforderungen an, deren ZT-Werte zwischen 0,95 und 1,1 liegen.

Im gleichen Monat wird mit dem Entwurf LUME eine moderne, ergonomische Taschenlampe des Designers Lane Stith aus Blacksburg in Virginia vorgestellt, die TE-Elemente verwendet, um die Hitze der Hand in die Energie umzuwandeln, welche für den Betrieb der LEDs benötigt wird.

Über einige ansprechende Grafiken und ein Formmodell ist die Sache bislang aber nicht herausgekommen.

Im November 2014 folgt eine Meldung, der zufolge ein Team von Forschern der Vanderbilt University und des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) eine völlig neue Form der kristallinen Ordnung entdeckt hat, die gleichzeitig sowohl kristalline als auch polykristalline Eigenschaften aufweist, und die sie daher als verschachtelte Kristalle (interlaced crystals) beschreiben. Seit den 1850er Jahren war man davon ausgegangen, daß kristalline Materialien in nur 14 verschiedenen Grundgitterstrukturen organisiert sind.

Entdeckt haben die Wissenschaftler um die Professoren Sokrates Pantelides und Janet Macdonald diese ungewöhnliche Anordnung von Atomen bei der Untersuchung von Nanopartikeln aus dem Halbleiter Kupfer-Indium-Sulfid (CuInS₂), der aktiv für Solarzellen untersucht wird. Dabei erweist sich, daß die verschachtelte Kristallanordnung Eigenschaften hat, die sie ideal für thermoelektrische Anwendungen machen.

Das Team geht davon aus, daß es es eine große Klasse von Materialien gibt, die ähnlich verschachtelte Strukturen haben sollten. Gelingt es, aus diesen dünne Filme herzustellen, sollten sie ausgezeichnete thermoelektrische Materialien sein, prognostizieren die Forscher.

Weiter mit der Thermoelektrizität...