Thermodynamik gebogen: Team baut den "unmöglichen" Wärmestrahler

Eigentlich gilt: Wärme strahlt dorthin ab, wo sie aufgenommen wurde. Doch ein Forschungsteam hat diese Regel gebogen - und ein Material gebaut, das Wärme gezielt lenkt. Nützlich könnte das für Solarenergie oder Wärmetechnik sein.

Kirchhoff kommt ganz schön ins Schwitzen

Jahrzehntelang war Kirchhoffs Strahlungsgesetz ein unantastbares Prinzip in der Thermodynamik. Es besagt: Ein Objekt, das von seiner Umgebung Wärme aufnimmt, strahlt diese mit derselben Intensität auch wieder ab - zumindest, solange es sich im thermischen Gleichgewicht befindet. Doch das neue Material, das am Pennsylvania State College of Engineering entwickelt wurde, durchbricht diese Regel - zumindest in eine Richtung.

Der Schlüssel liegt in einem gezielt geschichteten Metamaterial aus dem Halbleiter Indium-Galliumarsenid (InGaAs). Die Forscher stapelten fünf extrem dünne Lagen - jeweils nur 440 Nanometer dick. Mit jeder Schicht steigt dabei die Zahl der freien Elektronen - wie eine fein abgestimmte Treppe aus Ladungsträgern auf einem Siliziumsockel. Dieses feine Gefälle in der Dotierung beeinflusst, wie sich Elektronen im Material unter einem starken Magnetfeld verhalten.


Bei rund 267 °C und einem Magnetfeld von fünf Tesla - hunderttausendmal stärker als das Erdmagnetfeld - zeigte das Material ein bisher nie gemessenes Verhalten: Es strahlte im Infrarotbereich deutlich mehr Wärmeenergie in eine Richtung ab, als es aus ebendieser Richtung aufnehmen würde. Der Effekt trat über einen breiten Wellenlängenbereich von 13 bis 23 Mikrometern auf und war auch über verschiedene Betrachtungswinkel hinweg stabil.

Wir zeigen, dass das Metamaterial unter Einwirkung eines Magnetfelds das Kirchhoffsche Gesetz stark verletzt, wobei eine Differenz zwischen Emissionsgrad und Absorptionsgrad besteht.

Die Fachleute sprechen von nicht-reziproker thermischer Emission. Während frühere Versuche mit Indiumarsenid unter einem Tesla-Magnetfeld nur schwache Ergebnisse lieferten, konnte das Team um Zhenong Zhang die Wirkung nun verdoppeln. Laut Zhang handelt es sich um die erste dokumentierte "starke" Nicht-Reziprozität - mit einem gemessenen Wert von 0,43.

Diese gerichtete Wärmeabstrahlung eröffnet neue Perspektiven: Ein mögliches Einsatzgebiet sind solarthermische Photovoltaikanlagen, bei denen Wärme gezielt in Richtung einer Zelle gelenkt werden könnte. Auch sogenannte Wärmedioden, die Hitze nur in eine Richtung durchlassen, könnten auf Basis solcher Materialien neu gedacht werden.

Kurz erklärt - was heißt "Wärme lenken"?

Ganz neue Wärmetechnik

Was bleibt, ist ein technischer Balanceakt: Was auf den ersten Blick wie ein Widerspruch zur Thermodynamik wirken kann, entpuppt sich bei genauerem Hinsehen als gezielte Ausnutzung ihrer Spielräume. Das Material scheint mehr Wärme abzugeben, als es aufnimmt - doch dieser Effekt tritt nur aus bestimmten Blickwinkeln auf. Was sich ändert, ist die Verteilung: Wärme wird nicht mehr gleichmäßig abgestrahlt, sondern bewusst in bestimmte Richtungen gelenkt.

Diese gezielte Steuerung ist das eigentlich neue - und sie erinnert an etwas, das wir längst beherrschen: Elektrische Ströme leiten wir seit Jahrzehnten durch Dioden, Transistoren oder Schalter. Die Technik eignet sich überall dort, wo Wärme nicht nur abgeleitet, sondern gerichtet und kontrolliert werden soll - etwa zur Effizienzsteigerung (Solarzellen), zur Sicherheit (Hitze-Management in Chips oder Batterien) oder für Spezialanwendungen wie thermische Schaltungen und Infrarotlenkung. Die Resultate wurden in Physical Review Letters veröffentlicht.


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