Robert Klatt
Ein synthetischer Kristall auf Basis von Kupfer ermöglicht die Produktion neuer thermoelektrischer Materialien, mit denen effizient und günstig elektrische Energie aus Wärme gewonnen werden kann.
Caen (Frankreich). Thermoelektrische Materialien erzeugen aus Wärme elektrischen Strom. Sie werden unter anderem in Industrieprozessen zur Nutzung der Abwärme verwendet. Außerdem kommen sie in elektronischen Bauteilen zum Einsatz, etwa in zur Kühlung in Smartphones und in Elektroautos.
Die thermoelektrischen Materialien mit dem höchsten Wirkungsgrad waren bisher jedoch problematisch, weil sie teure und teilweise giftige Elementen wie Blei und Tellur enthalten. Die Wissenschaft arbeitet deshalb an synthetischen Kupfermineralien, die aus ungiftigen Elementen, die in der Erdkruste in großen Mengen vorkommen, produziert werden können.
Nun haben Forscher des CRISMAT Labors im Fachmagazin Angewandte Chemie International Edition einen Kristall aus einem synthetischen Kupfermineral vorgestellt, der „neue Perspektiven“ bei der Entwicklung von sicheren und günstigen thermoelektrischen Materialien eröffnen soll.
Der synthetische Kristall besteht aus Kupfer, Mangan, Germanium und Schwefel. Laut dem Materialwissenschaftler Emmanuel Guilmeau ist der Herstellungsprozess simpel und kann auch auf industrielle Maßstäbe skaliert werden.
„Die Pulver werden mechanisch durch ein Kugelmahlverfahren in eine vorkristalline Legierung gebracht und dann bei 600 Grad Celsius verdichtet.“
Die Strukturveränderung des Materials funktioniert, indem ein minimaler Anteil des Mangans durch Kupfer ersetzt wird. Es entstehen dadurch komplexe Mikrostrukturen, die die Basis für den Transport von Elektronen und Wärme bilden.
Das thermoelektrische Material bleibt bis 400 Grad Celsius stabil. Es eignet sich damit auch für den Einsatz in den Abwärmesystemen der meisten Industrieanlagen. Die Forscher sind sich sicher, dass in Zukunft auf Basis des synthetischen Kristalls neue thermoelektrische Materialien entwickelt werden können, die die aktuell verwendeten giftigen Materialien ersetzen.
Angewandte Chemie International Edition, doi: 10.1002/anie.202210600
