Strom aus Nanokanälen

Jedes Mal, wenn wir ein YouTube-Video abspielen oder auch nur ein Wort googeln, entsteht in den weltweit verteilten Rechenzentren etwas Wärme. Ein Roboterarm, der in einer Fabrik Autoteile zusammenschweißt, produziert Wärme, ebenso ein Lkw – und natürlich unsere Körper. Diese Wärme trägt nur geringfügig zur Klimaerwärmung bei, aber sie ist zugleich Energie. Etwa 70 Prozent der Wärme, die von Menschen produziert wird, verschwindet ungenutzt im All. Während große industrielle Anlagen Hitze als Energiequelle nutzen, lohnt sich die Wandlung dieser Energie bei Temperaturen unter 100 Grad Celsius bislang nicht. Wärme in Strom umzuwandeln ist mit aktuellen Technologien ineffizient. Die seltenen, dafür notwendigen Materialien sind teuer und nicht umweltfreundlich.

In Zukunft könnte sich das ändern. Erste Schritte in diese Richtung kommen von einer ungewöhnlichen Forschungsrichtung im Fachbereich Maschinenbau der TU Darmstadt: Professor Steffen Hardt und sein Team erforschen Transportphänomene in Fluiden auf der Nano- und Mikrometerskala – und zwar oft unabhängig davon, für welche Anwendung die Erkenntnisse relevant sein könnten. Den Forschenden geht es darum, Neuland zu betreten – zu verstehen, wie sich Gase und Flüssigkeiten in verschiedenen Zuständen und Umgebungen auf kleinen Skalen verhalten. Und eines der Phänomene, die die Forschenden beobachteten, erregt nun die Aufmerksamkeit der Energieforschung. Denn es birgt das Potenzial, in Zukunft effizienter als bisher aus geringen Temperaturdifferenzen Strom zu gewinnen – mit günstigeren und nachhaltigeren Materialien.

Das von dem Team beobachtete Phänomen ähnelt einem bekannten Effekt: Wenn ein thermoelektrisches Material einem Temperaturgradienten ausgesetzt ist, fließen Elektronen von einem Ende zum anderen – in der Regel von warm zu kalt. Dabei entsteht ein elektromagnetisches Feld und somit eine elektrische Spannung. Je größer der Temperaturunterschied ist, desto höher ist die Spannung, die produziert wird. Solche thermoelektrischen Materialien haben jedoch keinen besonders hohen Wirkungsgrad“, sagt Steffen Hardt. „Das bedeutet, dass sie nur einen geringen Anteil der Wärme in elektrische Energie umwandeln können, was teilweise an prinzipiellen Beschränkungen der Physik liegt.“ Die Materialien seien zudem schwer herzustellen – teilweise durch eine aufwändige Atomlagenabscheidung. Für den breitbandigen Einsatz eignen sich solche Technologien nicht.

Die Forschenden fanden nun auf der Basis von theoretischen Modellen heraus, dass in bestimmten Nanostrukturen mit sich überlappenden sogenannten elektrischen Doppelschichten unter Einwirkung eines Temperaturgradienten ein Ionenfluss entsteht. Derartige Nanokanäle haben einen Durchmesser von etwa 10 Nanometern. Sie sind somit kleiner als zum Beispiel Viren – das Corona-Virus misst etwa 100 Nanometer. Befindet sich in diesen Nanokanälen eine Salzlösung, bilden die Ionen, die sich in der Nähe der Wand befinden, eine geladene Schicht innerhalb der Flüssigkeit. Diese Schicht dehnt sich mit zunehmender Temperatur aus, wodurch eine Ionenbewegung entsteht, wenn das eine Ende des Röhrchens wärmer ist als das andere. Die Bewegung erzeugt ebenfalls ein elektrisches Feld. Die Spannung, die dabei entsteht, ist allerdings um ein Vielfaches höher als die beim sogenannten Ludwig-Soret-Effekt. Dieser beschreibt die Bewegung von Elektrolyten aufgrund eines Temperaturgradienten. Bevor sich dieser Umwandlungsprozess in Nanokanälen in Anwendungen nutzen lässt, stehen die Forschenden allerdings noch vor erheblichen Herausforderungen. Durch die Überlagerung unterschiedlicher Phänomene ist die Physik sehr komplex, und es ist noch unklar, wie Systeme mit optimierter Energiewandlungseffizienz gestaltet werden müssen. Außerdem ist es tendenziell schwierig, nach theoretischen Erkenntnissen maßgeschneiderte Nanostrukturen herzustellen.

„Der Startpunkt für unsere Forschungen in diesem Bereich waren rein theoretische und erkenntnisgetriebene Untersuchungen, durch die wir dieses Phänomen entdeckt haben“, sagt Hardt. „Aber es war für uns tatsächlich Neuland, und wir hatten zunächst keine Pläne, die Theorie in die Praxis umzusetzen. Uns fehlten dafür die experimentellen Möglichkeiten.“ Die notwendigen Nanokanäle kann sein Team am Institut nicht herstellen. Aber dann wurde Justin Holmes, Professor für Nanochemie und Leiter der Forschungsgruppe Materials Chemistry & Analysis Group (MCAG) am University College Cork in Irland, auf die Veröffentlichung der Darmstädter aufmerksam. Seine Gruppe hat die Ausstattung, genau solche Materialien zu entwickeln.

Subhajit Biswas, ein Forscher in Holmes Gruppe, sagt: „Als wir auf die theoretische Abhandlung über die Umwandlung von Wärme in einer Elektrolytlösung in Confinement stießen, wurde uns klar, dass die Kombination dieses theoretischen Wissens mit dem Fachwissen am University College Cork in Bezug auf Materialien, Membranen und Energiewandlungstechnologien in eine neue hocheffiziente Technologie zur Nutzung von Abwärme geringer Güte mit enormer Wirkung münden könnte.“