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Energy Harvesting: Mit Dünnschichttechnik aus Abwärme Energie zurückgewinnen

Redakteur: Sebastian Gerstl

Forscher der UC Berkeley haben einen Weg gefunden, Abwärme aus prozessorbasierten Systemen nutzbar zu machen. Ein nur wenige Nanomenter dickes Dünnschichtsystem führt einen Teil der abgegebenen Hitze wieder als Energie ins System zurück.

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Schematische Darstellung eiens mit der Dünnschichttechnik ausgestatteten Systems, in dem Abwärme wieder in Energie umgewandelt wird.
Schematische Darstellung eiens mit der Dünnschichttechnik ausgestatteten Systems, in dem Abwärme wieder in Energie umgewandelt wird.
(Bild: UC Berkeley)

Prozessorbasierte Systeme erzeugen im laufenden Betrieb viel Abwärme, was Herausforderungen an eine effiziente Kühlung stellt. Forscher der University of California in Berkeley haben nun eine Dünnfilm-Beschichtungstechnik entwickelt, um die abgegebene Wärme mittels Energy Harvesting wieder als Energie ins System zurückzuführen.

Das vom Forschungsteam der University of California in Berkeley entwickelte Dünnschichtsystem nutzt die pyroelektrische Energieumwandlung - ein Verfahren, das sich gut für die Nutzung von Abwärmeenergie unter 100°C eignet. Sie begannen mit der Synthese von Dünnschichtversionen von Materialien mit einer Dicke von 50 bis 100 Nanometern.

Auf Basis dieser Folien wurden dann pyroelektrische Gerätestrukturen hergestellt und getestet, die es den Ingenieuren ermöglichen, gleichzeitig die Temperatur und die erzeugten elektrischen Ströme zu messen und die Stromerzeugungskapazität des Geräts zu testen.

Die nur wenige Nanomenter dicke Dünnschicht-Technologie eignet sich besonders für die Installation und Nutzung von Abwärme aus der Hochgeschwindigkeitselektronik, nach Ansicht der Forscher dürfte sie aber noch einen viel weiter gefassten Anwendungsbereich haben. Bei schwankenden Wärmequellen kann die Dünnschicht die Abwärme in nutzbare Energie mit höherer Energiedichte, Leistungsdichte und Wirkungsgrad umwandeln als andere Formen der pyroelektrischen Energieumwandlung."Wir wissen, dass wir neue Energiequellen brauchen, aber wir müssen auch die Energie, die wir bereits haben, besser nutzen", sagt Lane Martin, Associate Professor of Materials Science and Engineering an der UC Berkeley und Hauptautor einer Studie über die Forschung.

Neue Rekorde in der Umwandlung von Abwärme in elektrische Energie

"Diese dünnen Schichten können uns helfen, aus jeder Energiequelle mehr Energie herauszupressen, als wir es heute tun, indem wir ein Dünnschichtgerät schaffen, können wir die Wärme schnell in dieses System hinein- und wieder herausbekommen, was uns den Zugang zu pyroelektrischer Energie in nie dagewesenem Ausmaß für Wärmequellen ermöglicht, die im Laufe der Zeit schwanken", sagt Martin, "Alles, was wir tun, ist, Wärme zu gewinnen und elektrische Felder an dieses System anzulegen - und wir können Energie gewinnen."

Mit dieser Technik lassen sich nach Angaben der Forscher neue Rekorde bei der pyroelektrischen Energieumwandlungsenergiedichte (1,06 Joule pro Kubikzentimeter), der Leistungsdichte (526 Watt pro Kubikzentimeter) und dem Wirkungsgrad (19% des Carnot-Wirkungsgrades - die Standardeinheit für den Wirkungsgrad eines Wärmemotors) erreichen.

Die nächsten Schritte, so die Forscher, werden darin bestehen, die Dünnschichtmaterialien besser auf bestimmte Abwärmeströme und Temperaturen für das Energy Harvesting zu optimieren. "Ein Teil dessen, was wir versuchen zu tun", sagt Martin, "ist ein Protokoll zu erstellen, das es uns erlaubt, die Extreme von pyroelektrischen Materialien auszuloten, so dass ich einen Abwärmestrom bekommen und ich dazu ein Material besorgen kann, das für diese speziellen Probleme optimiert ist". Die Forscher haben den derzeitigen Stand ihrer Studien in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature veröffentlicht.

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