Effizienzsteigerung in der Thermoelektrik: 3D-gedruckte Sanduhr-Strukturen Verbessern Leistung

Durch den Einsatz von 3D-Drucktechnologie ist es einem Forschungsteam gelungen, die Effizienz thermoelektrischer Materialien erheblich zu steigern. Dank einer neu entwickelten Sanduhr-Struktur, die mittels 3D-Druck hergestellt wurde, konnte die Effizienz um beeindruckende 360 % erhöht werden.

Die Nationale Forschungsstiftung von Korea gab bekannt, dass ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung von Professor Jae Sung Son von der POSTECH und Saniya LeBlanc von der George Washington University erfolgreich eine neue Form für thermoelektrische Materialien entwickelt hat. Bislang wurden diese Materialien typischerweise in quaderförmigen Strukturen eingesetzt. Die neue stundenförmige Geometrie, die durch ein spezielles 3D-Druckverfahren hergestellt wurde, verspricht eine deutliche Verbesserung der Stromerzeugungseffizienz.

Thermoelektrische Technologie ist eine Methode zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Diese Technologie wird zunehmend als nachhaltige Energiequelle betrachtet, da sie Wärme aus verschiedenen Quellen wie Fabriken, Automotoren und sogar der Körperwärme des Menschen in nutzbare Energie umwandeln kann. Bisher konzentrierte sich die Forschung im Bereich der thermoelektrischen Generatoren auf die Verbesserung der Materialeigenschaften, insbesondere des sogenannten Thermoelectric Figure of Merit (ZT). Trotz dieser Fortschritte blieb die Effizienz der thermoelektrischen Generatoren jedoch begrenzt, was den Bedarf an neuen Ansätzen deutlich machte.

Das Forschungsteam demonstrierte, dass allein durch die Änderung der Geometrie und Zusammensetzung der Materialien die Effizienz der Stromerzeugung maximiert werden kann. In Experimenten, bei denen acht verschiedene geometrische Strukturen simuliert und deren Effizienz gemessen wurden, stellte sich heraus, dass die stundenförmige Geometrie unter allen getesteten Bedingungen am leistungsfähigsten war. Zudem entwickelten die Forscher einen 3D-Druckprozess, der es ermöglicht, komplex geformte thermoelektrische Materialien mit einer hohen Dichte an Mikroschichten zu produzieren. Diese Mikroschichten minimieren die Wärmeleitfähigkeit und erhöhen den thermischen Wirkungsgrad (ZT) auf einen Wert von 2,0, der bislang höchsten für thermoelektrische Materialien, die mittels 3D-Druck hergestellt wurden.

Basierend auf diesen Ergebnissen fertigte das Team thermoelektrische Generatoren mit den verschiedenen Strukturen an und stellte fest, dass der Generator in Stundenglasform etwa 3,6-mal effizienter war als ein herkömmlicher Generator mit rechteckiger Basis.

Professor Jae Sung Son erklärte: „Diese Forschung ist der erste Fall, in dem die Effizienz durch die dreidimensionale Geometrie des Materials verbessert wurde, die den thermischen und elektrischen Transport kontrolliert, anstatt durch die konventionelle, auf die Mikrostruktur ausgerichtete Forschung an thermoelektrischen Materialien. Es wird erwartet, dass dieser Ansatz universell auf alle thermoelektrischen Materialien angewendet werden kann und auch in thermoelektrischen Kühltechnologien zum Einsatz kommen kann.“

Diese Forschung wurde von der koreanischen Regierung im Rahmen des Programms für Mid-Career-Forschende und des Programms für die Entwicklung von Nano- und Materialtechnologie unterstützt und kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.