Wiener Forscher haben neue Thermoelektrika entwickelt – die sich jetzt auch als supraleitend erwiesen haben.
80 Prozent der Energie aus dem Benzin gehen in Autos als Wärme verloren: (Ab-)Wärme gilt nicht zu Unrecht als „verlorene Energie“, die sich schwer wieder in eine andere Energieform, etwa elektrische Energie umwandeln lässt.
Eine Möglichkeit für eine solche Umwandlung bietet der thermoelektrische Effekt, auch Seebeck-Effekt genannt: Metalle können aus einem Temperatur-Gefälle eine elektrische Potenzialdifferenz – und damit Strom – erzeugen. Umgekehrt der Peltier-Effekt: Durch Stromfluss entsteht ein Temperatur-Gefälle; mit diesem Prinzip werden in heißen Gegenden bereits Autositze gekühlt.
Wie gut sich ein Metall als Thermoelektrikum eignet, bestimmen drei Größen: 1) der Seebeck-Koeffizient (Verhältnis von Spannung zu Temperatur-Differenz), 2) die Wärmeleitfähigkeit, 3) der elektrische Widerstand. Der Seebeck-Koeffizient muss möglichst groß sein, der Widerstand und die Leitfähigkeit möglichst klein.
„Leider sind diese Größen in der Natur meist gegenläufig“, erklärt Ernst Bauer (TU Wien): „Der Seebeck-Effekt ist am größten, wenn die Konzentration an Ladungsträgern im Metall klein ist – dann hat es aber auch geringe elektrische Leitfähigkeit und damit hohen Widerstand. Wir müssen also, um möglichst gute Thermoelektrika zu finden, im Grenzbereich zwischen Halbmetallen und Metallen suchen. Der Clou ist die thermische Leitfähigkeit: Wir suchen Verbindungen, bei denen sie möglichst klein ist.“
Kristalle als Käfige
Dabei suchen die Wiener Forscher gezielt Verbindungen, deren Kristallstruktur die Form eines Käfigs hat, zum Beispiel Skutterudite. Das Mineral, nach dem die ganze Verbindungsklasse benannt ist, wurde 1845 im norwegischen Ort Skutterud entdeckt. Sein bläulicher Glanz brachte dem Ort Wohlstand: Skutterudit (CoAs3) diente als Farbpigment für chinesisches Porzellan.
In dieser Verbindung sind die Käfige freilich noch leer. In den Skutteruditen, mit denen die Wiener arbeiten, sind sie gefüllt: mit Barium oder Strontium, das sind Metalle, die „elektropositiv“ sind, sich also gern von ihren äußeren Elektronen trennen. Locker und schwach gebunden schwingen sie in ihren Käfigen – auf ganz typische Weise, die man „rattling mode“ nennt. Genau diese Rassel-Schwingungen sind es, die effizient die thermische Leitfähigkeit erniedrigen – und damit das Material zu einem guten Thermoelektrikum machen.
Rassel-Schwingung
Welches Materialgenau? In den Physical Review Letters (99, S.217001) beschreiben die Wiener Forscher die Entdeckung einer neuen Klasse von Skutteruditen, die ersten Vertreter haben die Formeln SrPt4Ge12 und BaPt4Ge12, synthetisiert wurden sie von Peter Rogl (Uni Wien). Das Kobalt des „Ur-Skutterudit“ ist dem Platin gewichen, das Arsen dem Germanium. Und das ist wesentlich: Denn bisher kannte man nur käfigbildende Skutterudite mit Phosphor, Arsen und Antimon, und die sind alle giftig.
Das Germanium scheint noch eines zu bewirken: Die neuen Verbindungen sind (unterhalb von etwa 5 Kelvin) supraleitend! „Schuld“ an dieser Eigenschaft sind die Elektronen hart an der Grenze zwischen besetzten und unbesetzten Zuständen, und die kommen in diesem Fall vornehmlich vom Germanium, das zeigte Raimund Podloucky (Uni Wien) mit seinen bewährten Berechnungen der Elektronenstruktur. Ein gutes Beispiel für Zusammenwirken von Theorie und Experiment. Ganz praktisch nützen die Forscher ihre Erkenntnisse in einem FFG-Projekt mit der AVL List GmbH Graz, um mit thermoelektrischen Materialien Elektrizität aus der Abwärme von Motoren zu gewinnen.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 28.11.2007)