Thermophotovoltaik Optisches Nanomaterial für die direkte Umwandlung von Wärme in Strom

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Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg (TUHH), des Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) in Kooperation mit der kanadischen University of Alberta haben ein neuartiges optisches Nanomaterial hergestellt, das es ermöglicht, Wärme direkt in Strahlung und danach mit hoher Effizienz in elektrische Energie umzuwandeln.

Ein von Wissenschaftlern aus Hamburg und Alberta (Kanada) neu entwickeltes Nanomaterial soll einen wichtigen Beitrag leisten, um moderne Industriegesellschaften auf ressourcenschonenden Energieeinsatz umzustellen. Publiziert wurde die Arbeit am 6. Juni 2016 in „Nature Communications“, einer Fachzeitschriften für fachübergreifende, wissenschaftliche Forschungsarbeiten.

Wärmestrahlung direkt in elektrische Energie umzuwandeln, bezeichnet man als Thermophotovoltaik. Hierfür haben die Hamburger Wissenschaftler geschickt Nanoschichten aus den hochtemperaturfesten Materialien Wolfram und Hafniumdioxid kombiniert und daraus ein sogenanntes optisches Metamaterial aufgebaut. Die Dicke einer Wolframschicht ist dabei fünftausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares.

Dieses neuartige Nanomaterial unterdrückt die Aussendung unerwünschter langwelliger Wärmestrahlung bei 1000°C und lässt nur die Emission der auch technisch verwertbaren kürzerwelligeren Wärmestrahlung zu. Die langwellige Strahlung wird in der thermophotovoltaischen Energieumwandlung nicht gebraucht und wäre verloren.

Durch die Unterdrückung der langwelligen Emission lässt sich die Effizienz von thermophotovoltaischen Energiewandlern deutlich erhöhen, mit denen die in industriellen Prozessen anfallende Abwärme oder auch Wärme aus Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Die Temperaturbeständigkeit des optischen Metamaterials ist Rekord

Das Hamburger Forscherteam konnte weltweit erstmals den Nachweis erbringen, dass eine solche selektive Emission mit Metamaterialien bei 1000°C möglich ist. Die Temperaturbeständigkeit des optischen Metamaterials ist Rekord.

Die optischen Nanomaterialien wurden im Sonderforschungsbereich 986 „Maßgeschneiderte Multiskalige Materialsysteme – M³“ der TUHH entwickelt. Der SFB wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

„Gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern von der University of Alberta ist es uns gelungen, alle erforderlichen Kompetenzen von der Theorie und elektromagnetischen Simulation über die Schichtherstellung bis hin zur optischen, thermischen und strukturanalytischen Charakterisierung zusammenzuführen und darüber hinaus einen hervorragen¬den länderübergreifenden Teamgeist zu etablieren“, sagt Professor Manfred Eich, Co-Sprecher des SFB 986 und Leiter des Instituts für Optische und Elektronische Materialien der TUHH.

Publikation: „Controlling thermal emission with refractory epsilon near-zero metamaterials via topological transitions" by Pavel Dyachenko, Sean Molesky, Alexander Petrov, Michael Störmer, Tobias Krekeler, Slawa Lang, Martin Ritter, Zubin Jacob, and Manfred Eich [Paper #NCOMMS-15-23573B] in Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms11809. Der Artikel in Nature Communications erschien am 6. Juni 2016 unter http://www.nature.com/ncomms/2016/160606/ncomms11809/full/ncomms11809.html.

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