News: Coole Leiter
Im elektrischen Strom wandern nicht nur Ladungen, auch Wärme wird transportiert - ein Effekt, den man bei Peltier-Elementen nutzt. Besonders effizient arbeiten diese noch nicht, aber das kann sich ja ändern.
Bereits im Jahre 1834 entdeckte der französische Uhrmacher und Physiker Jean Charles Athanase Peltier, dass sich elektrische Leistung direkt in thermische umwandeln lässt. Denn schickt man Strom durch eine Leiterschleife aus zwei unterschiedlichen Metallen, dann erwärmt sich die eine Lötstelle der beiden Materialien, während sich die andere abkühlt. Dabei ist der Wärmetransport direkt proportional zur Stromstärke, und die Richtung des Stromflusses entscheidet darüber, welche Seite sich abkühlt und welche sich erwärmt.
Trotz der frühen Entdeckung konnten sich Anwendungen, die diesen Effekt nutzen, kaum durchsetzen. Denn der Wärmetransport ist nicht sonderlich effizient. Man muss also einige elektrische Energie investieren, um ein bisschen die Temperatur zu ändern. Camping- und Computerkühler sind es im Wesentlichen, die von Peltiers Entdeckung profitieren.
Normalerweise sind gute elektrische Leiter auch gute Wärmeleiter – wie die meisten Metalle. Das jedoch ist für den Peltiereffekt ein Problem, denn hier gilt es ja gerade, unterschiedlich temperierte Zonen zu schaffen. Da kann man es gar nicht gebrauchen, wenn das mühselig elektrisch erzeugte Temperaturgefälle durch gute Wärmeleitung wieder ausgeglichen wird. Am besten wäre ein Material, das auf der einen Seite möglichst gut Wärme isoliert und auf der anderen dem Strom kaum Widerstand bietet.
Wissenschaftler suchen nach eben solchen Materialien, die einen besseren Wirkungsgrad versprechen. Raphaël Hermann von der Université of Liège und seine Kollegen könnten nun etwas Passendes gefunden haben: metallisch-kristalline Verbindungen aus Antimon und Cobalt, die als Skutterudite bekannt sind. Diese Skutterudite entsprechen unter den metallartigen Verbindungen offenbar am ehesten einem Modell, das Einstein bereits zur Erklärung der Wärme(-kapazität) in Festkörpern aufgestellt hat.
Einstein war einer der ersten, der mit einem Modell unabhängig schwingender Atome das Temperaturverhalten von Festkörpern erklären wollte. Zwar beschreibt seine Idee normale Festkörper nicht sonderlich gut, aber in glasartigen Verbindungen spielen jene Einstein-Oszillatoren doch eine Rolle. Und eben nicht nur in denen, sondern wie Hermann und Co herausfanden, auch bei bestimmten Skutteruditen. Denn ist die Schwingung der Atome entkoppelt, dann ist auch die Wärmeleitung blockiert.
Die Forscher untersuchten also sowohl Skutterudite, die mit dem Metall Thallium versetzt waren, als auch "leere" Skutterudite. Anhand von Messungen der spezifischen Wärmekapazität – das ist die Wärmemenge, die nötig ist, um ein Kilogramm eines Materials um ein Grad Celsius zu erwärmen – stellten Hermann und seine Kollegen fest, dass die Thallium-Atome tatsächlich unabhängig von ihren Nachbaratomen alle mit der gleichen Frequenz schwingen. Um ganz sicher zu gehen, führten die Physiker außerdem Neutronenstreuungsexperimente an den Skutteruditen durch. Auch hierbei war das Ergebnis eindeutig: Die Thallium-Atome schwingen weitgehend losgelöst vom restlichen Gitter.
Vielleicht bescheren uns diese Ergebnisse in Zukunft tatsächlich effizientere Peltier-Elemente, spekuliert deshalb George Nolas von der University of Florida in Tampa. "Hat man einmal die Grundlagen des Phänomens verstanden, kann man auch die Eigenschaften verbessern."
Trotz der frühen Entdeckung konnten sich Anwendungen, die diesen Effekt nutzen, kaum durchsetzen. Denn der Wärmetransport ist nicht sonderlich effizient. Man muss also einige elektrische Energie investieren, um ein bisschen die Temperatur zu ändern. Camping- und Computerkühler sind es im Wesentlichen, die von Peltiers Entdeckung profitieren.
Normalerweise sind gute elektrische Leiter auch gute Wärmeleiter – wie die meisten Metalle. Das jedoch ist für den Peltiereffekt ein Problem, denn hier gilt es ja gerade, unterschiedlich temperierte Zonen zu schaffen. Da kann man es gar nicht gebrauchen, wenn das mühselig elektrisch erzeugte Temperaturgefälle durch gute Wärmeleitung wieder ausgeglichen wird. Am besten wäre ein Material, das auf der einen Seite möglichst gut Wärme isoliert und auf der anderen dem Strom kaum Widerstand bietet.
Wissenschaftler suchen nach eben solchen Materialien, die einen besseren Wirkungsgrad versprechen. Raphaël Hermann von der Université of Liège und seine Kollegen könnten nun etwas Passendes gefunden haben: metallisch-kristalline Verbindungen aus Antimon und Cobalt, die als Skutterudite bekannt sind. Diese Skutterudite entsprechen unter den metallartigen Verbindungen offenbar am ehesten einem Modell, das Einstein bereits zur Erklärung der Wärme(-kapazität) in Festkörpern aufgestellt hat.
Einstein war einer der ersten, der mit einem Modell unabhängig schwingender Atome das Temperaturverhalten von Festkörpern erklären wollte. Zwar beschreibt seine Idee normale Festkörper nicht sonderlich gut, aber in glasartigen Verbindungen spielen jene Einstein-Oszillatoren doch eine Rolle. Und eben nicht nur in denen, sondern wie Hermann und Co herausfanden, auch bei bestimmten Skutteruditen. Denn ist die Schwingung der Atome entkoppelt, dann ist auch die Wärmeleitung blockiert.
Die Forscher untersuchten also sowohl Skutterudite, die mit dem Metall Thallium versetzt waren, als auch "leere" Skutterudite. Anhand von Messungen der spezifischen Wärmekapazität – das ist die Wärmemenge, die nötig ist, um ein Kilogramm eines Materials um ein Grad Celsius zu erwärmen – stellten Hermann und seine Kollegen fest, dass die Thallium-Atome tatsächlich unabhängig von ihren Nachbaratomen alle mit der gleichen Frequenz schwingen. Um ganz sicher zu gehen, führten die Physiker außerdem Neutronenstreuungsexperimente an den Skutteruditen durch. Auch hierbei war das Ergebnis eindeutig: Die Thallium-Atome schwingen weitgehend losgelöst vom restlichen Gitter.
Vielleicht bescheren uns diese Ergebnisse in Zukunft tatsächlich effizientere Peltier-Elemente, spekuliert deshalb George Nolas von der University of Florida in Tampa. "Hat man einmal die Grundlagen des Phänomens verstanden, kann man auch die Eigenschaften verbessern."
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.