Mickael L. Perrin will winzige Kraftwerke aus Graphen-Nanobändern bauen, die aus Wärme Strom erzeugen. Für sein ehrgeiziges Projekt erhielt er nun einen der prestigeträchtigen «ERC Starting Grants» der EU sowie eines der 32 Eccellenza-Förderungsstipendien des Schweizerischen Nationalfonds (SNF). Er wird eine Assistenzprofessur an der ETH Zürich antreten – und seine Forschung an der Empa fortsetzen.
Rainer Klose, Empa/Redaktion
Maschinen und elektronische Geräte erzeugen oft Abwärme, die nur schwer zu nutzen ist. Liesse sich aus dieser Abwärme Strom erzeugen, böte sich ein sauberer und nachhaltiger Ansatz zur Energiegewinnung: Eine solche Technologie wäre ideal für stromsparende Elektronikanwendungen wie «Wearables» und kostengünstige «Internet-of-Things»-Geräte. Thermoelektrische Generatoren, also Maschinen, die Strom durch Nutzung von Temperaturunterschieden erzeugen, gibt es bereits. Deren Wirkungsgrad ist aber im Allgemeinen niedrig.
Quantenpunkte als Lösung
In den letzten Jahren haben mehrere Forschungsgruppen weltweit gezeigt, dass die thermoelektrische Umwandlung erheblich verbessert werden kann, indem man Quanteneffekte ausnutzt. Das Problem: Die Quantenmaschinen, auch Quantenwärmemaschinen genannt, müssen auf eine Temperatur von einigen Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden – so etwas ist also im Alltag nicht praktikabel. Forschende der Empa könnten dieses Problem jedoch überwinden und einen thermoelektrischen Generator entwickeln, der bei Raumtemperatur funktioniert, wie die Empa in einer Mitteilung schreibt. Mickael L. Perrin, Forscher in der von Michel Calame geleiteten Abteilung «Transport at Nanoscale Interfaces», hatte die Idee, Graphen-Nanobänder zu verwenden. Seit mehreren Jahren arbeiten die Empa-Forschenden bereits an verschiedenen Ansätzen, um aus solchen Nanobändern elektronische Geräte herzustellen.
Betrieb bei Raumtemperatur dank Graphen-Nanobändern
Mickael L. Perrin habe in mehreren unterschiedlichen Graphen-Nanobändern die Eigenschaften von Quantenpunkten nachweisen, von denen einige bis zu einer Temperatur von -123 Grad Celsius stabil sind, also bei viel höheren Temperaturen, als die bisher für die thermoelektrische Umwandlung verwendeten Quantenpunkte, schreibt die Empa. Ziel sei es nun, solche Graphen-Nanobänder in eine Quantenwärmekraftmaschine zu integrieren und diese bei Raumtemperatur zum Laufen zu bringen. Wenn alles gut gehe, könne Perrin in den nächsten Jahren eine winzige Wärmekraftmaschine auf einem Chip entwickeln. Diese könnte nicht nur Strom aus Abwärme erzeugen, sondern wäre durch Umkehrung des Funktionsprinzips auch für eine effiziente Kühlung geeignet.
Mit seinen beiden Forschungsstipendien wird Mickael L. Perrin in den nächsten Monaten eine Assistenzprofessur im Departement Informationstechnologie und Elektrotechnik der ETH Zürich antreten. In den nächsten Jahren wird er seine Forschungsarbeit in den Empa-Labors fortsetzen.
