Durchbruch: Wärme wird dank neuer Erfindung effizienter zu Strom

Wissenschaftler haben einen Durchbruch bei der Umwandlung von Wärme in Strom erzielt. Ein Team entwickelte einen neuartigen Emitter. Diese Technologie verspricht, Abwärme aus Industrie und Kraftwerken besser zu nutzen und könnte sogar Weltraummissionen unterstützen.

Forscher steigern Effizienz bei Wärme-Strom-Wandlung

Thermophotovoltaische (TPV) Systeme wandeln Wärme in Elektrizität um. Sie bestehen aus zwei Hauptkomponenten: einem thermischen Emitter, der Wärme in Licht umwandelt, und einer Photovoltaikzelle, die dieses Licht in Strom umwandelt. Bisher lag der Fokus der Forschung meist auf der Verbesserung der Photovoltaikzellen. Ein Team um Gururaj Naik an der Rice University konzentrierte sich stattdessen auf den Emitter.

Der neue Emitter, den die Forscher als "nicht-hermitischen selektiven Emitter" (non-Hermitian selective emitter, NHE) bezeichnen, nutzt eine spezielle physikalische Eigenschaft, bei der Lichtwellen so manipuliert werden, dass sie besonders effizient Wärme in nutzbares Licht umwandeln können - ähnlich wie ein optischer Verstärker, der nur die gewünschten Lichtwellenlängen durchlässt.


Das Team setzt auf einen innovativen Aufbau aus drei Schichten: einer Wolframplatte als Basis, einer hauchdünnen Schicht aus Siliziumdioxid und einer Oberfläche aus winzigen Siliziumzylindern. Diese Siliziumzylinder sind winzig - nur 500 Nanometer breit und 250 Nanometer hoch - und in einem wabenartigen Muster angeordnet. Diese besondere Anordnung ermöglicht es, das Licht auf eine ganz spezielle Art zu kontrollieren, sodass es sehr effizient in den Siliziumzylindern "gefangen" wird.

Aufbau und Anwendung

Die Forscher können die Leistung des Emitters durch Anpassung der Dicke der mittleren Siliziumdioxid-Schicht steuern. Bei einer Dicke von über 100 Nanometern arbeitet der Emitter am effizientesten. Er strahlt dann bei einer Temperatur von etwa 1000 °C besonders viel Licht mit einer Wellenlänge von 1,6 Mikrometern aus - ein für die Stromerzeugung optimaler Wellenlängenbereich. Je heißer der Emitter wird, desto effizienter arbeitet er: Bei 1000 °C erreicht er eine spektrale Effizienz von 45%, bei 1400 °C sogar 62%. Der neue Ansatz vereint deutlich höhere Effizienz als bisherige Systeme mit Praxistauglichkeit und thermischer Stabilität.

Diese Technologie könnte vielfältig eingesetzt werden: von der Rückge­winnung industrieller Abwärme bis zur Energieversorgung für Weltraummissionen wie Rover auf dem Mars. Zum Einsatz im All sagt das Team:

Wenn unser Ansatz zu einer Steigerung des Wirkungsgrads von 2 % auf 5 % in solchen Systemen führen könnte, wäre das ein bedeutender Schub für Missionen, die auf eine effiziente Energieerzeugung in extremen Umgebungen angewiesen sind

Besonders vielversprechend ist außerdem die mögliche Anwendung in thermischen Energiespeichern als Alternative zu herkömmlichen Batterien im Stromnetz. TPV-Systeme könnten so einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung und zur Reduzierung von Energieverlusten in der Industrie leisten. Weitere Details liefern die Veröffentlichungen in Nature und der Rice University.


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