Empa: Forscher baut kleine Kraftwerke aus Graphen-Nanobändern, die aus Wärme Strom erzeugen können

Mickael L. Perrin in seinem Labor an der Empa. Hier wird er sich daran machen, eine Quantenwärmemaschine zu entwickeln, die mit Graphen-Nanobändern bei Raumtemperatur arbeitet. Bild: Empa

(PRESSEMITTEILUNG) DÜBENDORF, 18-Jan-2022 — /EuropaWire/ — Die Empa, das Schweizer Forschungsinstitut für angewandte Materialwissenschaften und Technologie, hat bekannt gegeben, dass der Forscher Mickael L. Perrin plant, winzige Kraftwerke aus Graphen-Nanobändern zu bauen, die Strom erzeugen können Strom aus Wärme. Mickaels ambitioniertes Projekt gewann einen der renommierten ERC Starting Grants der EU und eines der 32 Eccellenza Professorial Fellowships des Schweizerischen Nationalfonds (SNF). Er wird eine Assistenzprofessur an der ETH Zürich antreten – und seine Forschung an der Empa fortsetzen.

Maschinen und elektronische Geräte erzeugen oft schwer nutzbare Abwärme. Wenn aus dieser Abwärme Strom erzeugt werden könnte, würde dies ein Mittel für eine saubere und nachhaltige Stromerzeugung bieten: Eine solche Technologie wäre ideal geeignet für stromsparende Elektronikanwendungen wie Wearables oder kostengünstige Internet-of-Things-Geräte. Dazu gehören zum Beispiel tragbare (medizinische) Geräte und Sensoren mit einem breiten Anwendungsspektrum in der Gesundheits- und Sportindustrie, in intelligenten Gebäuden und Mobilitätsanwendungen.

Thermoelektrische Generatoren, Maschinen, die durch Ausnutzung von Temperaturunterschieden Strom erzeugen, gibt es bereits, aber ihre Umwandlungseffizienz ist im Allgemeinen gering und es wird nur wenig Strom produziert. Um mehr Strom zu erzeugen, wären Materialien erforderlich, die gleichzeitig eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Diese beiden Anforderungen schließen sich jedoch häufig gegenseitig aus.

Quantenpunkte als Lösung

In den letzten Jahren haben mehrere Forschungsgruppen auf der ganzen Welt gezeigt, dass die thermoelektrische Umwandlung durch die Nutzung von Quanteneffekten erheblich verbessert werden kann. Durch die Verwendung von Quantenpunkten, die als hochselektive Energiefilter wirken, wurde beispielsweise von drastischen Steigerungen der Umwandlungseffizienz berichtet, von denen einige sogar einige der durch die Gesetze der Thermodynamik festgelegten Grenzen erreichen. Das Problem: Die Quantenmaschinen, auch Quantenwärmemaschinen genannt, müssen auf Temperaturen von wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden – im Alltag ist so etwas also kaum sinnvoll.

Forscher der Empa könnten dieses Problem lösen und eine Quantenwärmemaschine entwickeln, die bei Raumtemperatur arbeitet. Mickael L. Perrin, Forscher im Empa-Labor Transport at Nanoscale unter der Leitung von Michel Calame, hatte die Idee, Graphen-Nanobänder zu verwenden – eine Spezialität der Empa. Die allerersten Graphen-Nanobänder wurden von einer anderen Forschungsgruppe an der Empa synthetisiert: Roman Fasel und seine Kollegen vom Nanotech@Surfaces-Labor der Empa. Seit einigen Jahren arbeiten die Empa-Forschenden an verschiedenen Ansätzen, um aus solchen Nanobändern elektronische Geräte herzustellen.

Betrieb bei Raumtemperatur unter Verwendung von Graphen-Nanobändern

Mickael L. Perrin gelang es, Graphen-Nanobänder dazu zu bringen, sich wie Quantenpunkte zu verhalten, wobei einige von ihnen bis zu einer Temperatur von -123 Grad Celsius stabil sind, also bei viel höheren Temperaturen als die zuvor für die thermoelektrische Umwandlung verwendeten Quantenpunkte. Das Ziel ist nun, solche Graphen-Nanobänder in eine Quantenwärmemaschine zu integrieren und sie bei Raumtemperatur zum Laufen zu bringen. Da die Nanobänder nur wenige Nanometer gross sind, erfordert ihre Kontaktierung die Entwicklung spezieller Herstellungstechniken, die am Binnig and Rohrer Nanotechnology Center im IBM Research Center in Rüschlikon umgesetzt werden. Darüber hinaus werden kundenspezifische Messsysteme benötigt, um die Energieumwandlungseffizienz zu charakterisieren.

Wenn alles wie geplant läuft, könnte Perrin in den kommenden Jahren eine winzige Wärmekraftmaschine auf einem Chip entwickeln. Sie könnte nicht nur Strom aus Abwärme erzeugen, sondern wäre umgekehrt durch Umkehrung des Wirkprinzips auch für eine effiziente Kühlung geeignet.

Mit seinen zwei erfolgreichen Forschungsbeiträgen wird Mickael L. Perrin in den nächsten Monaten seine Assistenzprofessur an der ETH Zürich am Departement Informatik und Elektrotechnik antreten. In den nächsten Jahren wird er seine Forschung an der Empa fortsetzen, wo modernste Geräte zur thermoelektrischen Charakterisierung von Quantenwärmemaschinen zur Verfügung stehen.

Hoffentlich nur eine Übergangslösung

Die Finanzierung von Perrins Projekt kommt vom SNF und dem Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation (SBFI). Aufgrund des gescheiterten Rahmenabkommens zwischen der Schweiz und der EU ist die Schweiz aus dem aktuellen europäischen Forschungsprogramm Horizon Europe ausgeschlossen. Um einzuspringen, werden ERC Starting Grants dieses Jahr direkt vom SBFI finanziert. Nur so können hochtalentierte Nachwuchsforschende in der Schweiz gehalten werden. Um die zugeteilten Fördermittel direkt von der EU zu erhalten, müssten Mickael L. Perrin und die anderen 27 Beitragsempfänger aus der Schweiz an eine ausländische Universität wechseln, die Teil des Europäischen Forschungsraums ist.