Thermoelektrik

Die Thermoelektrik wandelt einen Temperaturunterschied unmittelbar in elektrische Spannung um — ohne Turbine, ohne Kolben, ohne ein einziges bewegliches Teil. Sie ist damit die älteste und am besten belegte Technik in jener Familie von Verfahren, zu der auch die Neutrinovoltaik gehört: Strom aus dem, was ohnehin da ist.

Der Seebeck-Effekt

Den Grundvorgang entdeckte Thomas Johann Seebeck im Jahr 1821. Verbindet man zwei verschiedene Leiter zu einem Kreis und hält die beiden Verbindungsstellen auf unterschiedlicher Temperatur, so fließt ein Strom.

Der Grund ist anschaulich: Auf der warmen Seite haben die Ladungsträger mehr Bewegungsenergie und wandern zur kalten Seite. Dort sammeln sie sich an, und es entsteht eine Spannung. Wie groß sie ausfällt, beschreibt der Seebeck-Koeffizient des Materials, gemessen in Mikrovolt je Kelvin.

Der umgekehrte Weg funktioniert ebenfalls: Schickt man Strom hindurch, wird eine Seite kalt. Das ist der Peltier-Effekt, den jede kleine Kühlbox nutzt.

Die Gütezahl ZT

Wie gut ein Material für die Thermoelektrik taugt, fasst eine einzige dimensionslose Kennzahl zusammen:

ZT = S²σT / κ

Darin steht S für den Seebeck-Koeffizienten, σ für die elektrische Leitfähigkeit, κ für die Wärmeleitfähigkeit und T für die Temperatur.

An dieser Formel sieht man das Kernproblem des Fachs. Man braucht ein Material, das Strom gut leitet, Wärme aber schlecht — und in den meisten Stoffen gehen beide Leitfähigkeiten Hand in Hand, weil dieselben Elektronen für beides zuständig sind. Das Fach sucht seit Jahrzehnten nach Werkstoffen, die diese Kopplung aufbrechen.

Bismuttellurid, der Klassiker für Raumtemperatur, erreicht ein ZT um 1. Das entspricht Wirkungsgraden von etwa 5 bis 8 Prozent. Laborwerte über 2 sind erreicht worden, aber selten stabil und selten billig.

Wo sie im Einsatz ist

Trotz des bescheidenen Wirkungsgrads ist die Thermoelektrik dort unschlagbar, wo Zuverlässigkeit über alles geht:

Raumfahrt. Die Radionuklidbatterien der Voyager-Sonden arbeiten seit 1977 — Plutonium-238 liefert Wärme, Thermoelemente machen Strom daraus. Die Marsrover Curiosity und Perseverance nutzen dieselbe Bauart und gewinnen aus rund 2000 Watt Wärme etwa 110 Watt elektrisch.

Abwärme. Industrieöfen, Motoren und Abgasanlagen geben Wärme ab, die sonst verloren geht.

Kleine Sensoren. Wo eine Handbreit Temperaturunterschied genügt, um ein Funkmodul zu speisen, braucht es keine Batterie mehr.

Abgrenzung zur Neutrinovoltaik

Die Thermoelektrik benötigt zwingend ein Gefälle. Ohne warme und kalte Seite fließt kein Strom — ein Bauteil, das rundum dieselbe Temperatur hat, liefert nichts, gleichgültig wie heiß es ist. Das ist keine technische Unzulänglichkeit, sondern der zweite Hauptsatz der Thermodynamik.

Die Neutrinovoltaik nennt thermische Fluktuationen als einen von mehreren Eingangskanälen, setzt aber nicht auf ein makroskopisches Gefälle, sondern auf Vorgänge im Gitter selbst. Der Anschluss an die Forschung liegt hier bei den Arbeiten von Paul Thibado zur Gleichrichtung thermischer Bewegungen in freistehendem Graphen — dem Ratschen-Effekt.

Die Thermoelektrik ist damit der beste Beleg dafür, dass die Grundidee trägt: Direkte Umwandlung ohne bewegliche Teile funktioniert, ist seit zwei Jahrhunderten bekannt und fliegt seit einem halben Jahrhundert durch das Sonnensystem. Die Frage ist nicht, ob man Energie so gewinnen kann, sondern aus welcher Quelle und in welcher Höhe.

Verwandte Begriffe

• Energy Harvesting — das Feld insgesamt
• Ratschen-Effekt — Gleichrichtung thermischer Bewegung
• Betavoltaik — Strom aus Betazerfall
• Thermophotovoltaik — Wärme über den Umweg des Lichts

Quellen

• T. J. Seebeck: Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperaturdifferenz, Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, 1822/23.
• NASA: Radioisotope Power Systems — Datenblätter zu MMRTG und Voyager-RTG.