Dieses Diagramm zeigt Forschern, wie elektrische Energie in einer Probe von Fe3Ga vorhanden ist. Quelle: © 2020 Sakai et al

Ein dünner Generator auf Eisenbasis nutzt Abwärme, um kleine Mengen Strom bereitzustellen.

Forscher haben einen Weg gefunden, Wärmeenergie mit einem ungiftigen Material in Strom umzuwandeln. Das Material ist meist Eisen, das angesichts seiner relativen Fülle extrem billig ist. Ein Generator, der auf diesem Material basiert, könnte kleine Geräte wie Fernsensoren oder tragbare Geräte mit Strom versorgen. Das Material kann dünn sein, so dass es in verschiedene Formen geformt werden kann.

Es gibt kein kostenloses Mittagessen oder freie Energie. Wenn Ihr Energiebedarf jedoch niedrig genug ist, z. B. bei einem kleinen Sensor, gibt es eine Möglichkeit, Wärmeenergie für die Stromversorgung ohne Kabel oder Batterien zu nutzen. Der wissenschaftliche Mitarbeiter Akito Sakai und Gruppenmitglieder seines Labors am Institut für Festkörperphysik und Physik der Universität Tokio unter der Leitung von Professor Satoru Nakatsuji und am Institut für Angewandte Physik unter der Leitung von Professor Ryotaro Arita haben mit ihrem innovativen thermoelektrischen Material auf Eisenbasis Schritte in Richtung dieses Ziels unternommen.

Thermoelektrische Geräte basierend auf dem anomalen Nernst-Effekt (links) und dem Seebeck-Effekt (rechts). (V) stellt die Stromrichtung, (T) den Temperaturgradienten und (M) das Magnetfeld dar. Credit: © 2020 Sakai et al

„Bisher konzentrierten sich alle Studien zur thermoelektrischen Erzeugung auf den etablierten, aber begrenzten Seebeck-Effekt“, sagte Nakatsuji. „Im Gegensatz dazu konzentrierten wir uns auf ein relativ weniger bekanntes Phänomen namens anomaler Nernst-Effekt (ANE).“

ANE erzeugt eine Spannung senkrecht zur Richtung eines Temperaturgradienten über die Oberfläche eines geeigneten Materials. Das Phänomen könnte dazu beitragen, das Design thermoelektrischer Generatoren zu vereinfachen und ihre Umwandlungseffizienz zu verbessern, wenn die richtigen Materialien leichter verfügbar werden.

Ein Diagramm zur Darstellung der Nodal-Web-Struktur, die für den anomalen Nernst-Effekt verantwortlich ist. Credit: © 2020 Sakai et al

„Wir haben ein Material hergestellt, das zu 75 Prozent aus Eisen und zu 25 Prozent aus Aluminium (Fe3Al) oder Gallium (Fe3Ga) besteht“, sagte Sakai. „Dies hat die ANE deutlich gestärkt. Wir sahen einen zwanzigfachen Spannungssprung im Vergleich zu undotierten Proben, was aufregend zu sehen war.“Dies ist nicht das erste Mal, dass das Team ANE demonstriert, aber frühere Experimente verwendeten Materialien, die weniger leicht verfügbar und teurer als Eisen sind. Der Reiz dieser Vorrichtung liegt zum Teil in ihren kostengünstigen und ungiftigen Bestandteilen, aber auch in der Tatsache, dass sie in einer Dünnfilmform hergestellt werden kann, so dass sie für verschiedene Anwendungen geformt werden kann.“Die dünnen und flexiblen Strukturen, die wir jetzt herstellen können, könnten Energie effizienter ernten als Generatoren, die auf dem Seebeck-Effekt basieren“, erklärte Sakai. „Ich hoffe, dass unsere Entdeckung zu thermoelektrischen Technologien führen kann, um tragbare Geräte, Fernsensoren an unzugänglichen Orten, an denen Batterien unpraktisch sind, und mehr mit Strom zu versorgen.“

Vor der letzten Zeit kam diese Art von Entwicklung in der Materialwissenschaft hauptsächlich durch wiederholte Iterationen und Verfeinerungen in Experimenten zustande, die sowohl zeitaufwändig als auch teuer waren. Das Team stützte sich jedoch stark auf Rechenmethoden für numerische Berechnungen, die die Zeit zwischen der ersten Idee und dem Erfolgsnachweis effektiv verkürzten.“Numerische Berechnungen haben wesentlich zu unserer Entdeckung beigetragen; zum Beispiel halfen uns automatische Hochgeschwindigkeitsberechnungen, geeignete Materialien zum Testen zu finden“, sagte Nakatsuji. „Und Berechnungen nach ersten Prinzipien, die auf der Quantenmechanik basieren, verkürzen den Prozess der Analyse elektronischer Strukturen, die wir Knotenbahnen nennen und die für unsere Experimente entscheidend sind.“Bis jetzt war diese Art der numerischen Berechnung unerschwinglich schwierig“, sagte Arita. „Wir hoffen also, dass nicht nur unsere Materialien, sondern auch unsere Computertechniken nützliche Werkzeuge für andere sein können. Wir sind alle daran interessiert, eines Tages Geräte zu sehen, die auf unserer Entdeckung basieren.“

Referenz: “ Eisenbasierte binäre Ferromagnete für die transversale thermoelektrische Umwandlung “ von Akito Sakai, Susumu Minami, Takashi Koretsune, Taishi Chen, Tomoya Higo, Yangming Wang, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Shinji Cane, Daisuke Nishio-Hamane, Fumiyuki Ishii, Ryotaro Arita und Satoru Nakatsuji, 27 April 2020, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-020-2230- z

Diese Arbeit wird teilweise unterstützt von CREST (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), Japan Science and Technology Agency, durch Zuschüsse für die wissenschaftliche Forschung in innovativen Bereichen (JP15H05882 und JP15H05883) des japanischen Ministeriums für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie sowie durch Zuschüsse für die wissenschaftliche Forschung (JP16H02209, JP16H06345, JP19H00650) der Japanischen Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft (JSPS). Die Arbeiten zur Berechnung der ersten Prinzipien wurden teilweise durch JSPS Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (JP18H04481 und JP19H05825) und durch MEXT als soziales und wissenschaftliches vorrangiges Thema (Schaffung neuer funktionaler Geräte und Hochleistungsmaterialien zur Unterstützung der Industrie der nächsten Generation) unterstützt, das mithilfe von Post-K-Computern (hp180206 und hp190169) angegangen werden sollte.