Strom aus Nanokanälen

Team um Professor Steffen Hardt forscht an nachhaltigerer Energienutzung

21.06.2021 von

Unsere Welt produziert rund um die Uhr Wärme – durch den Betrieb von Smartphones, Heizungen, Servern und Fabriken. Ein TU-Forschungsteam findet in der Nanotechnik eine Option, die Wärmemengen für Strom besser zu nutzen und einen Beitrag zu Nachhaltigkeit zu leisten.

Professor Steffen Hardt im Fachbereich Maschinenbau forscht an nachhaltigerer Energienutzung.

Jedes Mal, wenn wir ein YouTube-Video abspielen oder auch nur ein Wort googeln, entsteht in den weltweit verteilten Rechenzentren etwas Wärme. Ein Roboterarm, der in einer Fabrik Autoteile zusammenschweißt, produziert Wärme, ebenso ein Lkw – und natürlich unsere Körper. Diese Wärme trägt nur geringfügig zur Klimaerwärmung bei, aber sie ist zugleich Energie. Etwa 70 Prozent der Wärme, die von Menschen produziert wird, verschwindet ungenutzt im All. Während große industrielle Anlagen Hitze als Energiequelle nutzen, lohnt sich die Wandlung dieser Energie bei Temperaturen unter 100 Grad Celsius bislang nicht. Wärme in Strom umzuwandeln ist mit aktuellen Technologien ineffizient. Die seltenen, dafür notwendigen Materialien sind teuer und nicht umweltfreundlich.

In Zukunft könnte sich das ändern. Erste Schritte in diese Richtung kommen von einer ungewöhnlichen Forschungsrichtung im Fachbereich Maschinenbau der TU Darmstadt: Professor Steffen Hardt und sein Team erforschen Transportphänomene in Fluiden auf der Nano- und Mikrometerskala – und zwar oft unabhängig davon, für welche Anwendung die Erkenntnisse relevant sein könnten. Den Forschenden geht es darum, Neuland zu betreten – zu verstehen, wie sich Gase und Flüssigkeiten in verschiedenen Zuständen und Umgebungen auf kleinen Skalen verhalten. Und eines der Phänomene, die die Forschenden beobachteten, erregt nun die Aufmerksamkeit der Energieforschung. Denn es birgt das Potenzial, in Zukunft effizienter als bisher aus geringen Temperaturdifferenzen Strom zu gewinnen – mit günstigeren und nachhaltigeren Materialien.

Das von dem Team beobachtete Phänomen ähnelt einem bekannten Effekt: Wenn ein thermoelektrisches Material einem Temperaturgradienten ausgesetzt ist, fließen Elektronen von einem Ende zum anderen – in der Regel von warm zu kalt. Dabei entsteht ein elektromagnetisches Feld und somit eine elektrische Spannung. Je größer der Temperaturunterschied ist, desto höher ist die Spannung, die produziert wird. Solche thermoelektrischen Materialien haben jedoch keinen besonders hohen Wirkungsgrad“, sagt Steffen Hardt. „Das bedeutet, dass sie nur einen geringen Anteil der Wärme in elektrische Energie umwandeln können, was teilweise an prinzipiellen Beschränkungen der Physik liegt.“ Die Materialien seien zudem schwer herzustellen – teilweise durch eine aufwändige Atomlagenabscheidung. Für den breitbandigen Einsatz eignen sich solche Technologien nicht.

Die Forschenden fanden nun auf der Basis von theoretischen Modellen heraus, dass in bestimmten Nanostrukturen mit sich überlappenden sogenannten elektrischen Doppelschichten unter Einwirkung eines Temperaturgradienten ein Ionenfluss entsteht. Derartige Nanokanäle haben einen Durchmesser von etwa 10 Nanometern. Sie sind somit kleiner als zum Beispiel Viren – das Corona-Virus misst etwa 100 Nanometer. Befindet sich in diesen Nanokanälen eine Salzlösung, bilden die Ionen, die sich in der Nähe der Wand befinden, eine geladene Schicht innerhalb der Flüssigkeit. Diese Schicht dehnt sich mit zunehmender Temperatur aus, wodurch eine Ionenbewegung entsteht, wenn das eine Ende des Röhrchens wärmer ist als das andere. Die Bewegung erzeugt ebenfalls ein elektrisches Feld. Die Spannung, die dabei entsteht, ist allerdings um ein Vielfaches höher als die beim sogenannten Ludwig-Soret-Effekt. Dieser beschreibt die Bewegung von Elektrolyten aufgrund eines Temperaturgradienten. Bevor sich dieser Umwandlungsprozess in Nanokanälen in Anwendungen nutzen lässt, stehen die Forschenden allerdings noch vor erheblichen Herausforderungen. Durch die Überlagerung unterschiedlicher Phänomene ist die Physik sehr komplex, und es ist noch unklar, wie Systeme mit optimierter Energiewandlungseffizienz gestaltet werden müssen. Außerdem ist es tendenziell schwierig, nach theoretischen Erkenntnissen maßgeschneiderte Nanostrukturen herzustellen.

„Unsere Kombination könnte in eine neue hocheffiziente Technologie zur Nutzung von Abwärme geringer Güte mit enormer Wirkung münden.“ (Professor Steffen Hardt, Fachgebiet Nano- und Mikrofluidik)

Kooperation mit Forscherteam am University College Cork

„Der Startpunkt für unsere Forschungen in diesem Bereich waren rein theoretische und erkenntnisgetriebene Untersuchungen, durch die wir dieses Phänomen entdeckt haben“, sagt Hardt. „Aber es war für uns tatsächlich Neuland, und wir hatten zunächst keine Pläne, die Theorie in die Praxis umzusetzen. Uns fehlten dafür die experimentellen Möglichkeiten.“ Die notwendigen Nanokanäle kann sein Team am Institut nicht herstellen. Aber dann wurde Justin Holmes, Professor für Nanochemie und Leiter der Forschungsgruppe Materials Chemistry & Analysis Group (MCAG) am University College Cork in Irland, auf die Veröffentlichung der Darmstädter aufmerksam. Seine Gruppe hat die Ausstattung, genau solche Materialien zu entwickeln.

Subhajit Biswas, ein Forscher in Holmes Gruppe, sagt: „Als wir auf die theoretische Abhandlung über die Umwandlung von Wärme in einer Elektrolytlösung in Confinement stießen, wurde uns klar, dass die Kombination dieses theoretischen Wissens mit dem Fachwissen am University College Cork in Bezug auf Materialien, Membranen und Energiewandlungstechnologien in eine neue hocheffiziente Technologie zur Nutzung von Abwärme geringer Güte mit enormer Wirkung münden könnte.“

Horizon 2020-Programm der EU fördert Projekt „Translate“

Professor Hardt und sein Team forschen daran, dass zukünftig jegliche Abwärme, die durch Mensch und Maschine freigesetzt wird, energetisch weitergenutzt werden kann. Das Grundprinzip beruht dabei auf dem Transport von Ionen in Nanokanälen in einem Temperaturfeld.

Holmes schlug Hardt vor, die Forschungen gemeinsam voranzutreiben und sich um eine der gefragten EU Horizon-Förderungen zu bewerben – mit großem Erfolg. Das Projekt mit dem Namen „Translate“ erhielt kürzlich eine Förderung über 3,5 Millionen Euro aus dem EU Horizon 2020-Programm „EIC Pathfinder Open“. Beteiligt sind auch die Universität Litauen und das spanische Unternehmen Cidete Ingenieros S.l., ein Spezialist für thermoelektrische Technologien. In „Translate“ geht es nun darum, zunächst einmal ein theoretisches Modell für die Ionen-Bewegung innerhalb des Nanokanals zu entwickeln. Dafür arbeiten die Wissenschaftler mit Computersimulationen. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei den Vorgängen an den Wänden der Nanokanäle. Die Forschenden planen nach und nach, die Architektur der Kanäle als auch das verwendete Material zu optimieren. Außerdem soll das System nicht nur Energie umwandeln, sondern auch speichern.

Das spätere Anwendungsspektrum hängt unter anderem davon ab, wie teuer die verwendeten Materialien und somit die Strukturen letzten Endes sind. In Frage kommen zum Beispiel Aluminium oder Silizium. An der Universität Maryland in den USA forscht man zudem an Cellulose-basiertem Material, das deutlich einfacher zu beschaffen und von der Umweltbilanz besser ist. Eine realistische Anwendung könnte zum Beispiel sein, die Abgaswärme von LKWs in Strom für die Bordcomputer oder das Licht am Fahrzeug zu verwandeln. Das würde den Verbrauch von Treibstoff reduzieren.

Das Potenzial solcher Forschungen ist jedoch auch den IT-Konzernen bewusst. Facebook betreibt in Odense zum Beispiel ein 50.000 Quadratmeter großes Rechenzentrum mit zwei Gebäuden. In solchen Rechenzentren kühlen Klimaanlagen die Server ab, um sie auf einer Temperatur von unter 30 Grad Celsius zu halten. Die heiße Luft geht oft in die Atmosphäre. Das Unternehmen hat sich kürzlich mit dem örtlichen Fernwärme-Anbieter Fjernvarme Fyn zusammengetan, um die von den Servern erzeugte Wärme an die Heizkörper der nahegelegenen Gemeinde weiterzuleiten. Gelänge es künftig, aus solchen Rechenzentrum auch noch Strom zu gewinnen, wäre dies ein wichtiger Beitrag zu einer nachhaltigen Energiegewinnung.

Der Autor ist Technikjournalist.

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