Quantenmotor mit enormer Effizienz

Lund (Schweden) - Gasturbinen und Dieselgeneratoren nutzen bei der Verbrennung der Treibstoffe erzeugte Hitze, um über mechanische Bewegungen Strom zu erzeugen. Ganz ohne mechanische Bauteile kommt dagegen eine neuartige Wärmekraftmaschine im Nanomaßstab aus. Wie die schwedischen Entwickler in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, erreichte die auf so genannten Quantenpunkten basierende Maschine eine Effizienz, die mit der von modernen Gasturbinen vergleichbar war. Allerdings können solche Nanokraftwerke nur sehr geringe Strommengen erzeugen, die aber prinzipiell zum Betrieb von Sensoren ausreichen.

„Unser Ansatz zeigt, dass sich Wärme ohne Zwischenschritt direkt in Elektrizität mit hoher Effizienz umwandeln lässt“, sagt Heiner Linke vom Center for Nanoscience der Universität Lund. Gemeinsam mit seinen Kollegen setzte Linke eine vor gut 15 Jahren entwickelte, unkonventionelle Idee um, bei der einzelne Elektronen zwischen zwei Reservoiren mit jeweils unterschiedlichen Temperaturen ausgetauscht werden. In herkömmlichen Wärmekraftmaschinen wird dagegen der Wärmefluss zwischen den Reservoiren genutzt. Mit ihrem ausgeklügelten Prototyp zeigten die Wissenschaftler, dass die Effizienz der Stromerzeugung über diesen durch einen Temperaturunterschied getriebenen Elektronenaustausch mit der gleichen hohen Effizienz ablaufen konnte wie bei herkömmlichen Wärmekraftmaschinen.

Zwei filigrane Drähte dienten in ihrem Aufbau als Wärmereservoire mit jeweils unterschiedlichen Temperaturen. Dazwischen positionierten sie eine winzige Struktur aus Nanodrähten aus Indiumarsenid und Indiumphosphid. Diese Struktur bildete einen Quantenpunkt zwischen den metallischen Reservoir-Elektroden. Er wirkte als Filter, um nur Elektronen mit einer bestimmten Energie hindurchzulassen. Von der Temperaturdifferenz angetrieben wanderten nun einzelne Elektronen über den Quantenpunkt von der wärmeren zur kälteren Elektrode. Dabei leisteten sie Arbeit, die über einen winzigen Stromfluss bei etwa einem Volt Spannung gemessen werden konnte.

Dieses thermoelektrische Nanokraftwerk muss allerdings als Grundlagenexperiment angesehen werden, um prinzipiell die hohe Effizienz dieses Prozesses von etwa 70 Prozent des theoretisch möglichen Maximums zu belegen. So betrug die Temperaturdifferenz zwischen den Elektroden-Reservoiren nur etwa ein Grad und die absoluten Temperaturen bewegten sich nahe am absoluten Nullpunkt von -273,15 Grad Celsius. Derart tiefgekühlt sind konkrete Anwendungen kaum möglich. Doch kann sich Linke vorstellen, dass sich mit diesem Prinzip wartungsfreie Nanokraftwerke konstruieren lassen, die etwa aufgeheizte Elektronen in Solarzellen oder Computerprozessoren nutzen könnten. Die winzige Stromausbeute könnte beim Betrieb von Sensoren oder von Quantenschaltkreisen, in denen einzelne Teilchen kontrolliert werden müssen, genutzt werden.