Verborgene Talente: Mit Bleistift und Papier Wärme in Strom umwandeln

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.

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.

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.“

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.