Kälte und Wärme im Handumdrehen

News: Kälte und Wärme im Handumdrehen

Thermoelektrische Effekte nutzt man zur Zeit vor allem, um Temperaturen zu messen. Obwohl sie sich prinzipiell auch zum Kühlen und Wärmen eignen, führen entsprechende Anwendungen eher ein Schattendasein. Dies könnte sich jedoch bald ändern, denn Wissenschaftlern konnten den Wirkungsgrad von Thermoelementen mit einer geschickt gewählten Dünnfilm-Schichtstruktur mehr als verdoppeln.

Thorsten Krome

Bereits 1821 machte der deutsche Physiker Thomas Johann Seebeck eine seltsame Entdeckung: Fügte er zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallen an jeweils einem Ende zusammen und erhitzte sie dort, so ließ sich über den beiden freien Enden eine Spannung abgreifen. Schloss er den Stromkreis, so floss ein Strom. Auch der umgekehrte Effekt war möglich, wie der Franzose Jean Charles Athanase Peltier im Jahr 1834 feststellte. Denn fließt ein Strom durch die beiden Drähte, so erwärmt sich die eine Kontaktstelle, die andere kühlt sich hingegen ab.

Während nun der Seebeck-Effekt vielfach Anwendung als elektrisches Thermometer fand, so fristete der Peltier-Effekt eher ein Schattendasein. Das Problem ist die thermische Leitfähigkeit des Metalls, denn die steht dem elektrisch getriebenen Wärmetransport entgegen und beschränkt ihn. Zwar argwöhnte man bereits in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts, dass bald Peltier-Elemente aus Halbleitern, deren Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Metallen schlechter ist, herkömmliche mechanische Kühltechnik ersetzen könnte, doch reichte auch der verbesserte Wirkungsgrad noch nicht zum wirtschaftlichen Erfolg.

Lange Jahre blieb es also still um den Peltier-Effekt. Nur vereinzelt brachten die Elemente Prozessoren oder Campingboxen Kühlung. Einige Theoretiker vermuteten bereits, dass sich der Wirkungsgrad nicht mehr erhöhen ließe, dass man gar an einer physikalischen Grenze angelangt sei. Doch da werden sie nun von Rama Venkatasubramanian und seinen Kollegen vom Research Triangle Institute in North Carolina eines anderen belehrt. Denn den Forschern gelang es, nicht nur den Wirkungsgrad mehr als zu verdoppeln, ihr Element reagiert sogar 23 000-mal schneller als herkömmliche Peltier-Elemente. Doch wie gelang den Wissenschaftlern das Kunststück?

Das Geheimnis liegt in der Nanotechnologie: Das Peltier-Element von Venkatasubramanian und seinen Mitarbeitern besteht aus einer Schichtstruktur, bei der sich Nanometer-dünne Lagen aus Bismut- und Antimontellurid abwechseln und so einen fünf Mikrometer dicken Stapel bilden. Diese besondere Struktur des Schichtpakets verstärkt nun auf der einen Seite den Ladungstransport, hemmt jedoch auf der anderen Seite die Bewegung von Phononen – den Quanten, die für den Wärmetransport verantwortlich sind. Beide Effekte treiben offenbar den Wirkungsgrad in die Höhe.

So kühlt und heizt das dünne Plättchen mit einer Leistung von bis zu 700 Watt pro Quadratzentimeter und erzeugt auf diese Weise bei Raumtemperatur Temperaturdifferenzen von bis zu 32 Grad Celsius. Ein solches Peltier-Element könnte beispielsweise direkt in einem Computer-Chip verbaut werden und genau dort kühlen, wo die Elektronik besonders heiß wird. Die Forscher denken außerdem an besonders schnelle optische Schalter, denn auch hier bedarf es einer ausreichenden Kühlung. Auch ein Miniatur-Labor auf einem Chip, mit dem sich biologische Proben untersuchen und manipulieren lassen, könnten von den kleinen Wärmepumpen profitieren,

Schließlich lässt sich der Wirkungsgrad vielleicht noch weiter steigern, jetzt wo die Forscher schon die vermeintliche theoretische Grenze durchbrochen haben. Denn wie Cronin Vining von ZT Services meint: "Experimentatoren lieben es, Theoretiker vom Gegenteil zu überzeugen."