Continuous harvesting of intermittent and continuous heats by a mixed ion/electron thermoelectric generator using an ionogel blended with carbon nanotube ionogels

Die große Jagd nach der Wärme: Wärme in Energie verwandeln

Stellen Sie sich vor, Ihr Körper wäre eine geschäftige Stadt. Jedes Mal, wenn Sie sich bewegen, denken oder auch nur dastehen, verbrennen Ihre Zellen Brennstoff und erzeugen ein Nebenprodukt: Wärme. Tatsächlich verschüttet fast alles, was wir tun – vom Autofahren bis zum Kochen von Wasser für Tee – eine massive Menge dieser thermischen Energie. Normalerweise entweicht diese Wärme einfach in die Luft, ein verschwendetes Geschenk, das wir nicht nutzen können. Wissenschaftler versuchen schon lange, diese „Abwärme“ einzufangen und wieder in Elektrizität umzuwandeln, jene Art, die unsere Telefone und Lichter mit Strom versorgt. Die üblichen Verdächtigen für diese Aufgabe sind feste Materialien, sogenannte Thermoelektrika. Stellen Sie sie sich als winzige, feste Brücken vor, bei denen die Wärme Elektronen (winzige geladene Teilchen) von der heißen Seite zur kalten Seite drückt und so einen Stromfluss erzeugt. Aber es gibt einen Haken: Diese festen Brücken sind oft wählerisch. Sie funktionieren großartig, wenn sich die Temperatur schnell ändert, aber wenn die Temperatur konstant bleibt, produzieren sie oft keinen Strom mehr. Es ist wie ein Wasserrad, das sich wild dreht, wenn ein Fluss über die Ufer tritt, aber stillsteht, wenn der Wasserstand genau richtig und gleichmäßig ist.

Hier kommt eine neuere, seltsamere Idee ins Spiel: Flüssigkeiten zu verwenden, die sich wie Feststoffe verhalten (sogenannte Ionogele), um Wärme zu ernten. Diese Materialien sind mit Ionen (geladenen Atomen) gefüllt, die sich lieben, wenn es einen Temperaturunterschied gibt. Wenn man ein Ende einer Flüssigkeit erhitzt, stürzen die Ionen zur kalten Seite und erzeugen eine Spannung. Dies ist eine supereffiziente Art, Energie zu erzeugen, aber sie hat einen großen Makel: Sobald sich die Ionen am kalten Ende ansammeln, hören sie auf sich zu bewegen, und der Stromfluss stoppt. Es ist wie ein Eimer, der sich mit Wasser füllt; sobald er voll ist, stoppt der Fluss, es sei denn, man kippt den Eimer um. Das bedeutet, dass diese „ionischen“ Geräte Wärme nur ernten können, wenn sich die Temperatur ständig ändert, wie bei einer flackernden Kerze, aber unter einer stetigen, warmen Sonne verstummen. Die große Frage, die sich Wissenschaftler gestellt haben, lautet: Können wir ein Gerät bauen, das die supereffiziente Kraft dieser wandernden Ionen nutzt und den Stromfluss auch dann aufrechterhält, wenn die Wärme perfekt konstant bleibt?

Die Geschichte des Papers: Ein Team von Läufern und eine magische Brücke

Dieses Paper von Yao Wang, Qi Qian und Jianyong Ouyang von der National University of Singapore sagt: „Ja, das können wir!“ Sie haben eine neue Art von Generator gebaut, einen Mixed Ion/Electron Thermoelectric Generator, kurz MTEG. Um zu verstehen, wie er funktioniert, stellen Sie sich ein Staffellauf vor. In einem standardmäßigen ionischen Gerät sind die Läufer Ionen (geladene Teilchen), die einen Stab aus Energie tragen. Sie sprinten von der heißen Seite zur kalten Seite, aber sobald sie die Ziellinie erreichen, bleiben sie stecken und das Rennen endet. Die Autoren erkannten, dass sie das Rennen ewig am Laufen halten könnten, wenn sie ein zweites Team von Läufern hinzufügen würden – Elektronen (oder in diesem Fall „Löcher“, die wie leere Sitze sind, die darauf warten, besetzt zu werden), die von der kalten Seite zurück zur heißen Seite laufen könnten.

Um dies zu ermöglichen, erschufen sie ein spezielles „Gelee“ namens Ionogel. Dieses Gelee besteht aus einem flüssigen Salz (EMIM:DCA), das in einem Gelatine-Netzwerk gefangen ist. Dieses Gelee ist hervorragend darin, Ionen zu bewegen. Um jedoch das zweite Team von Läufern zu bekommen, mischten sie winzige, superdünne Röhren, sogenannte einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs), unter. Betrachten Sie diese Nanoröhren als ein mikroskopisches Autobahnsystem, das durch das Gelee gewebt ist. Die Magie geschieht, wenn das Team genau die richtige Menge dieser Röhren in das Gelee mischt.

Hier ist der clevere Teil: Wenn das Team einen konstanten Temperaturunterschied anlegt (eine heiße Seite und eine kalte Seite), stürzen die Ionen im Gelee zur kalten Seite und erzeugen eine enorme Spannung. Dies ist der Soret-Effekt, ein schicker Name für die durch Hitze getriebene Ionenbewegung. In einem normalen Gelee würden sich die Ionen einfach ansammeln und stoppen. Aber in diesem neuen MTEG ist die durch die Ionen erzeugte Spannung so stark, dass sie die „Löcher“ (elektronische Ladungen) dazu drängt, durch das Kohlenstoffnanoröhren-Autobahnnetz zu tunneln und von der kalten Seite zurück zur heißen Seite zu laufen. Dies schafft einen perfekten Kreislauf: Ionen gehen in die eine Richtung, Löcher in die andere, und der Strom fließt stetig weiter, genau wie bei einem konventionellen Generator, aber mit viel mehr Leistung.

Was sie herausfanden: Der Goldlöckchen-Bereich und der stetige Strom

Die Forscher testeten ihren MTEG mit unterschiedlichen Mengen an Kohlenstoffnanoröhren und suchten nach der „Goldlöckchen“-Zone – nicht zu wenig, nicht zu viel. Sie fanden heraus, dass das Gerät weniger effizient arbeitet, wenn man zu viele Nanoröhren hinzufügt, da es dann wie ein standardmäßiger elektronischer Generator wirkt. Wenn man gar keine hinzufügt, verhält es sich wie das alte ionische Gerät, das unter stetiger Hitze aufhört zu arbeiten. Aber bei einer ganz spezifischen, winzigen Menge – gerade einmal 0,10 Gew.-% (Gewichtsprozent) an Nanoröhren – wurde das Gerät zu einem Superstar.

Bei dieser perfekten Beladung konnte das Gerät eine stetige Ausgangsspannung von etwa 29 mV über eine Last von 40 kΩ erzeugen, als der Temperaturunterschied nur 3 K (etwa 3 Grad Celsius) betrug. Noch beeindruckender ist, dass das Gerät über 16 Stunden lang stetig weiter summte, ohne aufzuhören. Im Gegensatz dazu wäre das alte ionische Gerät (ohne Nanoröhren) in weniger als einer Stunde „schlappgemacht“ und die Spannung wäre auf Null gesunken.

Das Team maß die „Thermospannung“ (wie gut das Material Wärme in Spannung umwandelt) und fand heraus, dass sie bei 11,3 mV·K⁻¹ liegt. Um dies einzuordnen: Das ist 10- bis 100-mal besser als die besten elektronischen Feststoffmaterialien, die derzeit in Weltraumsonden und High-Tech-Geräten verwendet werden. Sie berechneten auch die Leistungsdichte und fanden heraus, dass ihr bestes Gerät 52,2 W·m⁻³ lieferte, was signifikant höher ist als bei früheren Versuchen mit anderen Materialien wie Graphen.

Warum es wichtig ist (und was es nicht ist)

Die Autoren sind sehr deutlich darüber, was dieses Gerät nicht ist. Es ist keine Wunderbox, die in jeder Situation besser funktioniert als alles andere. Sie schlossen explizit die Idee aus, dass dies nur eine Kombination aus einem alten ionischen Kondensator und einem Standard-Elektronengenerator ist, die zusammengeklebt wurden. Stattdessen zeigten sie, dass die beiden Arten von Ladungen (Ionen und Löcher) in einem einzigen, gemischten Material zusammenarbeiten. Sie stellten auch klar, dass diese stetige Leistungsabgabe auf einem spezifischen Mechanismus beruht: dem „Tunneln“ der Löcher durch das Nanoröhren-Netzwerk, das durch die Bewegung der Ionen angetrieben wird. Wenn die Nanoröhren zu dicht sind, bricht dieses empfindliche Gleichgewicht zusammen, und das Gerät kehrt zu einem Verhalten als Standard-Elektronengenerator zurück, der weniger effizient ist.

Das Paper legt nahe, dass dieser Ansatz die Tür zur Ernte von „niedrigwertiger“ Abwärme öffnet – wie die sanfte Wärme eines Computerchips, eines menschlichen Körpers oder eines warmen Rohrs –, die derzeit zu schwach oder zu stetig für traditionelle Generatoren ist, um sie einzufangen. Während die Autoren nicht behaupten, die weltweite Energiekrise gelöst zu haben, haben sie einen funktionierenden Prototyp demonstriert, der eine stetige, sanfte Wärme in einen kontinuierlichen Strom von Elektrizität verwandeln kann – etwas, das für diese Art von Material bisher als unmöglich galt. Der entscheidende Punkt ist: Durch die Mischung der Fähigkeit einer Flüssigkeit, Ionen zu bewegen, mit der Fähigkeit eines Festkörpers, Elektronen zu bewegen, haben sie einen Hybridmotor geschaffen, der niemals aufhört zu laufen, solange ein Temperaturunterschied besteht.