Thermoelektrischer Durchbruch wandelt Wärme in Energie für Smartgeräte um

Eine aktuelle Studie¹ von Dr. Fabian Garmroudi und einem internationalen Forscherteam eröffnet die Tür zu einem der bedeutendsten Fortschritte in der Thermoelektrik seit Jahrzehnten. Das Papier untersucht die Untersuchung des Teams zu verschiedenen Materialien und wie sie dadurch die thermische und elektrische Entkopplung erfolgreich verbessern konnten. Das sollten Sie wissen.

Wie thermoelektrische Materialien Wärme übertragen

Thermoelektrische Materialien sind im Vergleich zu anderen Materieformen einzigartig. Im herkömmlichen Sinne wird Wärmeenergie über mobile Ladungsträger und durch Schwingungen der Atome im Kristallgitter übertragen. Letzteres bedeutet, dass Atome gegeneinander schwingen und dabei dieselbe Phasenbeziehung nutzen.
Insbesondere Materialien, die Wärme schnell übertragen können, werden Leiter genannt. Metall ist ein hervorragendes Beispiel für einen Wärmeleiter. Wenn Sie eine Metallstange erhitzen und neben ein weiteres Metallstück legen, übertragen die geladenen Atome und Gittervibrationen schnell einen Teil der Energie auf das andere Stück. Besonders reiner Diamant gilt als das Material mit der höchsten thermischen Leitfähigkeit.

Was sind thermoelektrische Materialien und wie funktionieren sie?

Thermoelektrische Materialien unterscheiden sich von herkömmlichen Materialien dadurch, dass sie gut Strom leiten, jedoch nicht Wärme. Da sie Wärmeenergie schlecht übertragen, sind sie ideale thermische Isolatoren.
Der Hauptmechanismus, mit dem thermoelektrische Materialien diese Aufgabe erfüllen, besteht darin, den Ladungs- und Wärmetransport zu entkoppeln. Heute spielen diese Materialien eine entscheidende Rolle in der fortschrittlichen Elektronik, Kühlung und industriellen Anwendungen.

Die Geschichte der thermoelektrischen Technologie: Von Seebeck bis heute

Der Weg zu superschnellen Kühl- und Gefrierprozessen sowie High-End-Elektronik hat viele Ausgangspunkte. Im Jahr 1821 machte Thomas Johann Seebeck eine überraschende Entdeckung. Er stellte fest, dass bestimmte Metalle einen elektrischen Strom erzeugen, wenn sie Temperaturunterschiede aufweisen und einander nahegebracht werden.
Diese Entdeckung führte dazu, dass Jean Charles Athanase Peltier zeigte, dass dieser Effekt je nach Anordnung sowohl Heizen als auch Kühlen bewirken kann. Diese Erkenntnis ebnete den Weg für die heutigen fortschrittlichen thermoelektrischen Materialien und Herstellungsprozesse.

Moderne thermoelektrische Materialien: Aktueller Industriestandard

Das heute am häufigsten verwendete thermoelektrische Material ist ein graues Pulver namens Bismuttellurid, Bi2Te3. Diese Chemikalie wurde in den 1950er Jahren entwickelt und ist seit über 70 Jahren der Industriestandard. Heute sind Bi2Te3-basierte Systeme die einzigen kommerziell verfügbaren Optionen.

Herausforderungen für thermoelektrische Materialien heute

Dieses Szenario hat zu einigen Innovationsverzögerungen geführt. Zum einen ist Tellur ein seltenes Mineral, das schwer und teuer zu beschaffen ist. Darüber hinaus sind diese Materialien zerbrechlich. Ihre spröde Beschaffenheit kann zu leicht beschädigten Bauteilen führen.

Wie thermoelektrische Materialien hergestellt werden: Fertigungsherausforderungen

Ein weiterer wesentlicher Nachteil dieses Ansatzes ist die Kostenintensität. Die anspruchsvollen Verfahren, die erforderlich sind, um thermoelektrische Materialien mit extrem niedriger thermischer Leitfähigkeit zu entwerfen und herzustellen, stellen weiterhin ein Hindernis für eine breitere Einführung dar.

Lösung des elektrischen Transferproblems in Thermoelektriken

Ein Hauptproblem bestand darin, dass alle bisherigen Versuche, den durch das Gitter getriebenen Wärmetransport zu hemmen, die Ladungsträgerbeweglichkeit reduzierten. Daher waren die Bemühungen bis vor kurzem vergeblich. Jetzt glaubt ein Team kreativer Forscher, den Schlüssel gefunden zu haben, Gittervibrationen zu unterdrücken, ohne den elektrischen Transfer zu verringern.

Durchbruch-Studie zu Thermoelektrik: Entkopplung von Wärme und Ladung

Die „Decoupled charge and heat transport in Fe2VAl composite thermoelectrics with topological-insulating grain boundary networks“-Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Communications, stellt hybride Materialien, einen neuen Fertigungsprozess und ein revolutionäres Design vor, um thermische und elektrische Entkopplung zu erreichen.
Das Team verfolgte einen anderen Ansatz als seine Vorgänger, indem es versuchte, chemisch und strukturell unterschiedliches Bi1−xSbx als Sekundärphase zwischen Heusler‑Körner zu integrieren. Der Vorgang nutzt ein Verfahren namens Flüssigphasen‑Sintern, um den archetypischen topologischen Isolator Bi1−xSbx zwischen Fe2V0.95Ta0.1Al0.95‑Körner zu integrieren.

Dieser Ansatz vermeidet den traditionellen Kompromiss, bei dem Versuche, den Wärmetransfer zu reduzieren, auch die elektrische Mobilität beeinträchtigen.

Hybride thermoelektrische Materialien mit Mehrphasen‑Kompositen

Im Kern der Studie steht die Herstellung hybrider Materialien. Diese Mehrphasen‑Komposite sind für die Aufgabe ideal, da sie unterschiedliche mechanische Eigenschaften bieten, aber bei den elektronischen Eigenschaften ähnlich funktionieren. Das erste Material (Fe2V0.95Ta0.1Al0.95) kombiniert Pulver einer Legierung aus Eisen, Vanadium, Tantal und Aluminium.
Das zweite Material (Bi0.9Sb0.1) in der Mischung besteht aus Pulver von Bismut und Antimon. Diese Struktur erzeugt eine topologische Isolator‑Phase. Eine topologische Isolator‑Phase ist eine einzigartige Klasse von Quantenmaterialien. Sie können intern isolieren, während sie an ihrer Oberfläche verlustfreie Ladung bereitstellen.

Wie Temperatur die Leistung von thermoelektrischen Kompositen beeinflusst

Der Prozess begann damit, dass die Materialien in einem Induktionsschmelzofen erhitzt wurden. Dadurch konnten die Materialien synthetisiert und zu Pulver gemahlen werden. Der Wissenschaftler mahlte das Pulver und mischte anschließend die beiden Materialien erneut, während bei 1373 K gesintert wurde. Dieser Schritt ließ das Bi0.9Sb0.1 schmelzen und die Körner beschichten.
Dieses Szenario erzeugt eine Korngrenz‑Phase, die für die Ergebnisse der Forscher ideal ist. Bemerkenswert ist, dass die Materialien nicht auf atomarer Ebene vermischt werden. Stattdessen wird das BiSb‑Material an den mikrometergroßen Schnittstellen zwischen den Kristallen der FeVTaAl‑Legierung abgelagert, wodurch ein hartes thermoelektrisches Material mit beeindruckenden Eigenschaften entsteht.

Störung von Gittervibrationen zur Reduzierung des Wärmetransfers

Eine der wichtigsten Beobachtungen der Forscher war, dass das neue Material sehr unterschiedliche Gitterstrukturen im Vergleich zu den anderen Materialien aufwies. Die Unterschiede in diesen Schichten waren so stark, dass die thermischen Vibrationen nicht effektiv durch das Kristallgitter übertragen werden konnten. Dieses Design reduziert die thermischen Vibrationen über die gesamte Oberfläche hinweg.

Steigerung der elektrischen Mobilität in thermoelektrischen Materialien

Das Team stellte außerdem fest, dass die Anzahl der Ladungsträger gestiegen war. Da beide Materialien ähnliche Ladungsträger‑Eigenschaften besitzen, wurde kein Verlust festgestellt. Interessanterweise wurde unerwartet ein Leistungszuwachs verzeichnet, was darauf hinweist, dass das Material hervorragende thermoelektrische Eigenschaften besitzt.

Testen der Leistung neuer thermoelektrischer Materialien

Die Designphase der Studie wurde am National Institute for Materials Science in Japan durchgeführt. Das Team führte mehrere tiefgehende Tests durch, einschließlich struktureller Untersuchungen, um zu bestimmen, wie das neue Design in verschiedenen Szenarien standhält.
Im Rahmen der Forschung erfasste das Team zudem umfangreiche thermoelektrische und magneto‑Transport‑Messungen. Sie stellten fest, dass Änderungen in der Mikrostruktur den Hall‑Effekt über einen breiten Temperatur‑ und Magnetfeldbereich beeinflussten.

Ergebnisse: Verbesserte thermoelektrische Effizienz und Stabilität

Der Test zeigte, dass das Material außergewöhnliche thermoelektrische Eigenschaften besitzt. Es reduzierte erfolgreich die Gitter‑thermische Leitfähigkeit insgesamt. Außerdem verbesserte es die Ladungsträger‑Mobilität. Diese Errungenschaften resultierten aus dem Design, das einen topologisch geschützten Ladungstransport entlang der Korngrenzen integrierte.
Die Ingenieure verzeichneten ebenfalls eine Leistungssteigerung und höhere Effizienz durch ihr neues Design. Es zeigte, dass bestimmte Materialien es Ingenieuren ermöglichen, den Wärmetransport zu steuern, ohne den Ladungstransport zu beeinträchtigen. Besonders bemerkenswert ist, dass die Leistung des Geräts frühere Versuche um 100 % übertraf.

Wesentliche Vorteile der neuen thermoelektrischen Technologie

Diese Studie bringt zahlreiche Vorteile auf den Markt. Erstens nutzt sie leicht verfügbare, erdreiche Materialien. Dieser Ansatz eröffnet die Möglichkeit für weitere Forschung und Studien.
Zudem hilft sie, die Kosten im Rahmen zu halten, und zeigt, wie das Material skaliert werden kann, um zukünftige Bedürfnisse zu decken. Thermoelektriken waren bislang berüchtigt schwer herzustellen und empfindlich. Diese neue Option ist sowohl robuster als auch mit geringeren Einstiegskosten im Vergleich zu den Industriestandards verbunden.

Materialstabilität und Recyclingfähigkeit von Thermoelektriken

Ein weiterer großer Vorteil dieser Studie ist, dass sie ein Verfahren einführt, um Thermoelektriken zu erzeugen, ohne dauerhaften Abfall zu hinterlassen. Dieser Ansatz ist stark recycelbar, da alle Materialien erdreichlich sind und so zusammengestellt wurden, dass keine großen Mengen an Umweltverschmutzung entstehen.

Praktische Anwendungen von Thermoelektriken und kommerzieller Zeitplan

Für diese Technologie gibt es unzählige Anwendungsmöglichkeiten. Viele betrachten Thermoelektriken als einen der besten Wege, um die Netto‑Null‑Kohlenstoffziele der Welt zu erreichen und eine nachhaltigere Existenz zu schaffen. Diese Entdeckung eröffnet zudem die Möglichkeit autonomer Energieversorgung. Hier sind weitere wichtige Anwendungen dieser Technologie.

Thermoelektriken und das Internet der Dinge (IoT)

Das Internet der Dinge umfasst weltweit Milliarden von Smart‑Devices. Dieses massive Netzwerk von Sensoren könnte diese Studie nutzen, um selbstversorgende Energiequellen zu schaffen. Diese Fähigkeit würde dem IoT einen Schritt nach vorne in Bezug auf Akzeptanz und Nutzbarkeit ermöglichen.

Thermoelektrische Materialien in der Weltraumerkundung und bei Satelliten

Thermoelektriken sind ein Hauptmittel, mit dem zukünftige Weltraumforscher ihre Beleuchtung aufrechterhalten können. Diese Systeme können die extremen Hitze‑ oder Kältebedingungen im Weltraum aufnehmen und in Energie umwandeln, die zum Reisen, Schützen und Verbessern des Lebens zukünftiger Weltraumforscher genutzt werden kann.

Einsatz von Thermoelektriken in nachhaltigen Smart‑Homes

Thermoelektriken könnten künftig Ihr Zuhause mit Energie versorgen. Stellen Sie sich vor, Ihr Haus bleibt kühl, wenn es draußen heiß wird, ohne dass Klimaanlagen oder Ventilatoren betrieben werden müssen. Bauherren sehen in diesen Materialien weiterhin eine Möglichkeit, nachhaltigere Häuser zu schaffen, die deutlich weniger Energie zum Betrieb benötigen.

Wann werden thermoelektrische Materialien zum Mainstream?

Es könnte noch über 5 Jahre dauern, bis diese Technologie den Markt erreicht. Die Wissenschaft ist vorhanden, aber die schiere Größe der Branche und der Bedarf, noch mehr Optionen zu erforschen, könnten bedeuten, dass diese Technologie noch einige Jahre Forschung benötigt, bevor die Ingenieure das Gefühl haben, sie sei so optimiert, dass sie kommerziell rentabel ist.

Thermoelektrik‑Forscher

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Fabian Garmroudi ermöglichte die Thermoelektrik‑Studie. Die Studie wurde von verschiedenen angesehenen Bildungseinrichtungen unterstützt, darunter das Los Alamos National Laboratory (USA). Zusätzlich entwickelte das Team die neuen hybriden Materialien am National Institute for Materials Science in Japan. Die finanzielle Unterstützung für das Projekt wurde zudem durch den Lions Award erhalten.

Die Zukunft der thermoelektrischen Technologie

Die Zukunft der Thermoelektrik ist vielversprechend. Das Team hinter dieser Studie möchte nun die Entwicklung eines thermoelektrischen Materials vorantreiben, das mit den kommerziell verfügbaren Verbindungen auf Basis von Bismuttellurid konkurrieren kann. Sie gaben an, dass sie weitere topologische Isolatoren wie Bi2Se3 erforschen wollen.

Investitionen im Thermo‑Elektronik‑Sektor

Viele Unternehmen kämpfen im Thermoelektrik‑Sektor um die Vorherrschaft. Dieser Markt verzeichnet ein wachsendes Nachfragevolumen, da die Rechenleistung und die Reisebedürfnisse zunehmen. Diese Unternehmen haben erhebliche Anstrengungen unternommen, um Thermoelektriken und andere grüne Energieoptionen zu erforschen. Hier ist ein Unternehmen, das ideal positioniert ist, um von der neuesten Thermoelektrik‑Studie zu profitieren.

TTM Technologies Inc. 

TTM Technologies Inc. (TTMI ) trat 1998 in den Markt ein. Es wurde von Kent Alder gegründet und ursprünglich in Washington gestartet. 1999 begann das Unternehmen, Wettbewerber zu übernehmen. Die Übernahme von Pacific Circuits, Inc. führte dazu, dass das Unternehmen seine Aktivitäten nach Kalifornien verlegte.

Heute ist TTM Tech ein führender Hersteller von Leiterplatten. Besonders bemerkenswert ist, dass es das größte Unternehmen in Nordamerika ist und der Hauptlieferant von Leiterplatten für das US‑Militär. Es beschäftigt derzeit über 16.400 Mitarbeitende und verzeichnete im letzten Jahr einen erheblichen Anstieg des Arbeitsvolumens.

Interessanterweise erhält die TTMI‑Aktie starke Unterstützung von einigen der größten Investmentfirmen der Welt. Beispielsweise besitzt BlackRock (BLK ) rund 17 % der Unternehmensanteile, was 18.299.780 Aktien entspricht. Diese Faktoren, zusammen mit der Innovationsgeschichte des Unternehmens, machen TTMI zu einer soliden Aktie, die man beobachten sollte.

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Studien zitiert:

^{1. Garmroudi, F., Serhiienko, I., Parzer, M., Ghosh, S., Ziolkowski, P., Oppitz, G., Nguyen, H. D., Bourgès, C., Hattori, Y., Riss, A., Steyrer, S., Rogl, G., Rogl, P., Schafler, E., Kawamoto, N., Müller, E., Bauer, E., de Boor, J., & Mori, T. (2025). Decoupled charge and heat transport in Fe₂VAl composite thermoelectrics with topological-insulating grain boundary networks. Nature Communications, 16(2976). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57250-6}