Viele technische Prozesse nutzen die für sie eingesetzte Energie nur zum Teil. Häufig entweicht Abwärme ungenutzt in die Umgebung. Dabei ließe sie sich zur Wärmebereitstellung oder zur Stromerzeugung nutzen. Je höher ihre Temperatur, desto einfacher und kostengünstiger ihre Verwertung. Eine Möglichkeit, niedrig temperierte Abwärme zu nutzen, bieten thermoelektrische Generatoren. Sie wandeln die Wärme direkt in Strom. Bisher verwendete thermoelektrische Materialien sind allerdings teuer und teilweise toxisch. Thermoelektrische Generatoren erfordern zudem große Temperaturdifferenzen für Wirkungsgrade von nur wenigen Prozent.
Eine Alternative stellen thermomagnetische Generatoren dar. Sie basieren auf Legierungen, deren magnetische Eigenschaften stark temperaturabhängig sind. Die wechselnde Magnetisierung induziert in einer angelegten Spule eine elektrische Spannung. Bereits im 19. Jahrhundert stellten Forschende die ersten Konzepte für thermomagnetische Generatoren vor. Seitdem hat die Forschung mit verschiedenen Materialien experimentiert. Die elektrische Leistung ließ bisher allerdings zu wünschen übrig.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT sowie an der Universität Tōhoku ist es nun gelungen, die elektrische Leistung von thermomagnetischen Generatoren im Verhältnis zur Grundfläche erheblich zu steigern. „Mit den Ergebnissen unserer Arbeit können thermomagnetische Generatoren erstmals mit etablierten thermoelektrischen Generatoren konkurrieren“, erklärt Professor Manfred Kohl, Leiter der IMT-Forschungsgruppe Smart Materials and Devices. Die Ergebnisse seiner Arbeit hat das Team in der aktuellen Ausgabe der Energieforschungszeitschrift Joule veröffentlicht.
Forschungsteam steigert elektrische Leistung von thermoelektrischen Generatoren
In thermomagnetischen Generatoren ermöglichen sogenannte Heusler-Legierungen – magnetische intermetallische Verbindungen – eine große temperaturabhängige Änderung der Magnetisierung und eine schnelle Wärmeübertragung. Selbst bei geringen Temperaturunterschieden lassen sich die Bauelemente zu resonanten Schwingungen anregen, die effizient in Strom gewandelt werden können. Doch die elektrische Leistung einzelner Bauelemente ist gering. „Bei der Hochskalierung kommt es vor allem auf Materialentwicklung und Bauweise an“, erläutert Professor Kohl.
Die Forschenden am KIT und an der Universität Tōhoku stellten in ihrer Arbeit anhand einer Nickel-Mangan-Gallium-Legierung fest, dass die Dicke der Legierungsschicht und die Grundfläche des Bauelements die elektrische Leistung in entgegengesetzter Richtung beeinflussen. Aufgrund dieser Erkenntnis gelang es ihnen, die elektrische Leistung im Verhältnis zur Grundfläche um den Faktor 3,4 zu steigern. Dazu erhöhten sie die Dicke der Legierungsschicht von fünf auf 40 Mikrometer. Die thermomagnetischen Generatoren erreichten eine maximale elektrische Leistung von 50 Mikrowatt pro Quadratzentimeter bei einer Temperaturänderung von drei Grad Celsius. Kohl freut sich über die Ergebnisse. „Sie ebnen den Weg zur Entwicklung maßgeschneiderter parallel geschalteter thermomagnetischer Generatoren, die das Potenzial zur Abwärmenutzung nahe Raumtemperatur besitzen. Quelle: KIT / jb
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