Themen: Energie (312) HZB-Eigenforschung (99)

Science Highlight    16.02.2018

Verborgene Talente: Mit Bleistift und Papier Wärme in Strom umwandeln

Ein normaler HB-Bleistift und Büropapier reichen aus, um - kombiniert mit einem leitfähigen Kunststofflack- ein thermoelektrisches Element zu bauen. Bild. HZB
Copyright: HZB

Der Bleistiftabrieb unter dem Elektronenmikroskop.
Copyright: HZB

Skizze des Versuchsaufbaus.
Copyright: HZB

Thermoelektrische Materialien können Wärmeunterschiede zur Stromerzeugung nutzen. Nun gibt es eine preiswerte und umweltfreundliche Lösung, um sie mit einfachsten Zutaten herzustellen: Ein normaler Bleistift, Kopierpapier und ein leitfähiger Kunststofflack reichen aus, um eine Temperaturdifferenz über den thermoelektrischen Effekt in Strom umzuwandeln. Dies hat nun ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin demonstriert.

Der thermoelektrische Effekt ist keine Neuigkeit, sondern wurde vor fast 200 Jahren von Thomas J. Seebeck entdeckt: Bringt man zwei unterschiedliche Metalle zusammen, dann kann eine elektrische Spannung entstehen, wenn ein Metall wärmer ist als das andere. Über diesen Effekt lässt sich Restwärme teilweise in elektrische Energie umwandeln. Restwärme entsteht als Nebenprodukt bei fast allen technischen und natürlichen Prozessen, zum Beispiel in Kraftwerken und jedem Haushalt, aber auch im menschlichen Körper. Sie ist eine der größten ungenutzten Energiequellen auf der Erde - meist verpufft sie. Winziger Effekt

Leider ist dieser an sich so nützliche Effekt in normalen Metallen extrem klein. Denn Metalle besitzen nicht nur eine hohe Leitfähigkeit für Strom, sondern ebenso für Wärme, sodass Unterschiede in der Temperatur sofort verschwinden. Thermoelektrische Materialien müssen also trotz hoher elektrischer Leitfähigkeit eine geringe Wärmeleitfähigkeit haben. In der Technik werden heute schon stellenweise Thermoelektrika aus anorganischen Halbleitermaterialien wie Bismuttellurid eingesetzt. Allerdings sind solche Materialsysteme teuer und ihr Einsatz rentiert sich nur punktuell. Darüber hinaus werden für den Einsatz am menschlichen Körper auch flexible, ungiftige organische Materialien erforscht, zum Beispiel basierend auf Nanostrukturen aus Kohlenstoff. 

HB-Bleistift und Kunststofflack

Dass es auch viel einfacher geht, hat nun ein Team um Prof. Norbert Nickel am HZB gezeigt: Mit einem normalen Bleistift, Härtegrad HB, zeichneten sie auf gewöhnlichem Kopierpapier eine kleine Fläche aus. Als zweites Material pinselten sie einen transparenten, leitfähigen Kunststofflack (PEDOT:PSS) auf.

Konkret liefern die Bleistift-Proben (Graphit) bei einem Temperaturunterschied von 50 Grad Celsius etwa eine Spannung von 0,875 Millivolt. Dieses Ergebnis ist vergleichbar zu anderen, weitaus teureren Nanokompositen, die bisher für biegsame thermoelektrische Elemente genutzt werden. Und dieser Wert ließ sich verzehnfachen, indem sie dem Graphit etwas Indium-Selenid zusetzen.

Schlechter Wärmetransport erklärt

Unter dem Rasterelektronenmikroskop und mit spektroskopischen Methoden (Raman-Streuung) am HZB untersuchten die Forscher die Graphit- und Kunststofflack-Filme. „Die Ergebnisse waren für uns auch sehr überraschend“, erklärt Nickel. „Aber wir haben nun eine Erklärung gefunden, warum dies so gut funktioniert: Der Bleistiftabrieb bildet auf dem Papier eine Fläche aus ungeordneten Graphitflocken, etwas Graphen und Lehm. Während dies die elektrische Leitfähigkeit nur wenig reduziert, kann Wärme deutlich schlechter transportiert werden.“

Ausblick: Flexible Bauelemente auf Papier gedruckt

Mit diesen einfachen Zutaten könnten sich künftig thermoelektrische Baulemente auf Papier drucken lassen, die äußerst preiswert, umweltfreundlich und ungiftig sind. Solche winzigen und biegsamen Bauelemente wären auch direkt am Körper einsetzbar und könnten die Körperwärme nutzen, um kleine Geräte oder Sensoren zu betreiben.

Zur Publikation in ACS Appl. Mater. Interfaces (2018): "Fine Art of Thermoelectricity", Viktor Brus, Marc A. Gluba, Joerg Rappich, Felix Lang, Pavlo Maryanchuk, and Norbert H. Nickel.

DOI: 10.1021/acsami.7b17491

Die Arbeit wurde von der American Chemical Society (ACS) mit dem Editors' Choice Award ausgezeichnet und steht jetzt Open Access allen Leserinnen und Lesern zur Verfügung.

arö


           



Das könnte Sie auch interessieren
  • <p>Die Idee: Im Sommer wird Schmelzwasser in einem Modul aus Solarzellen und Katalysatoren in Wasserstoff (H<sub>2</sub>) und Sauerstoff gespalten. Das H<sub>2</sub> wird gespeichert.</p>NACHRICHT      22.05.2019

    Energieversorgung in der Antarktis: Ist solarer Wasserstoff eine Alternative zu Erdöl?

    Volkswagenstiftung fördert Machbarkeitsstudie durch HZB-Experten für künstliche Photosynthese

    Auch am Südpol scheint die Sonne – im Sommer sogar fast rund um die Uhr. Forschungsstationen könnten im Sommer mit Sonnenlicht „solaren Wasserstoff“ produzieren und so auf Erdöl weitgehend verzichten. Wasserstoff besitzt eine hohe Energiedichte, lässt sich gut speichern und bei Bedarf als Brennstoff nutzen, ohne die Umwelt zu belasten. Matthias May, HZB, und Kira Rehfeld, Uni Heidelberg, wollen nun überprüfen, ob  die solare Brennstofferzeugung in der Antarktis realisierbar ist. Das Projekt wird von der Volkswagenstiftung gefördert. [...]


  • <p>Bassi untersucht Materialsysteme, die als Photoelektrokatalysatoren die Wasserspaltung mit Licht erm&ouml;glichen.</p>NACHRICHT      20.05.2019

    Posterpreis für HZB Postdoc Prince Saurabh Bassi

    Auf dem "International Bunsen-Discussion-Meeting on Fundamentals and Applications of (Photo) Electrolysis for Efficient Energy Storage” erhielt Dr. Prince Saurabh Bassi den Posterpreis. Bassi ist Postdoc bei Prof. Sebastian Fiechter am HZB-Institut für Solare Brennstoffe.

    [...]


  • <p>Im Innovationslabor HySPRINT arbeiten HZB-Teams an neuen Verfahren zur Herstellung von Perowskit-Solarzellen.</p>NACHRICHT      16.05.2019

    Europäische Perowskit-Initiative EPKI gestartet

    Perowskit-basierte Solarzellen haben in den letzten zehn Jahren enorme Fortschritte gemacht und erreichen im Labormaßstab bereits Wirkungsgrade von 24,2% (Anfang 2019) in Single-Junction-Architekturen und bis zu 28% im Tandem mit kristallinem Silizium. Dies macht sie zu der Solartechnologie, die sich bis heute am schnellsten entwickelt. Das Helmholtz-Zentrum Berlin hat in den letzten Jahren mit dem HySPRINT Projekt und der Rekrutierung talentierter Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler eine erhebliche Forschungskapazität im Bereich Perowskit-Materialien aufgebaut und beteiligt sich an der nun gestarteten Europäischen Perowskit-Initiative EPKI. [...]




Newsletter