Eine Gruppe von Forschern aus Amerika und Australien hat ein neues Konzept für einen effizienten, energiearmen Kühlschrank entwickelt. Es beruht auf dem so genannten thermoelektrischen Effekt, bei dem ein Temperaturunterschied entsteht, wenn eine Spannung an einen aus zwei unterschiedlichen Halbleitern bestehenden Stromkreis angelegt wird. Die bisher nur geringe Effizienz dieses Phänomens kann dabei durch den Einsatz von Halbleiternanokristallen überwunden werden.
Obwohl der thermoelektrische Effekt bereits routinemäßig zur Kühlung von Mikroprozessoren oder Hochleistungskameras angewendet wird, konnte er sich bisher bei der Entwicklung von Kühlschränken nicht durchsetzen. Der Grund dafür ist die geringe Effizienz von nur etwa 10 Prozent bei der Umwandlung der elektrischen Energie in einen nutzbaren Temperaturgradienten.
Dies hängt damit zusammen, dass der durch die Halbleiterschleife fließende Elektronenstrom Wärmeenergie von der warmen zur kalten Hälfte leiten kann. Dadurch wird der durch den thermoelektrischen Effekt erzeugte Temperaturunterschied herabgesetzt.
Tammy Humphrey von der Universität von Wollongong in Australien und Heiner Linke von der Universität von Oregon haben nun eine Lösung für dieses Problem gefunden: Sie entwickelten einen Halbeiter, der zwar den elektrischen Strom gut leitet, aber nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Dazu setzten die beiden Forscher keine herkömmlichen Halbleiter für ihren Stromkreis ein, sondern Ansammlungen aus so genannten Quantenpunkten.
Quantenpunkte sind winzige, nur wenige Millionstel Millimeter kleine Kristalle aus Halbleitern. Sie weisen im Gegensatz zu größeren Kristallen eine drastisch veränderte energetische Struktur auf. Dies ermöglichte es den Forschern, einen Stoff zu konzipieren, bei dem die Wärmeleitfähigkeit energetischer Elektronen deutlich unterdrückt ist. Der bisher nur auf dem Papier konzipierte Stoff könnte somit die Effizienz des thermoelektrischen Effekts auf bis zu 50 Prozent erhöhen, so die Forscher. Sie stellen ihre Entdeckung in der Fachzeitschrift Physical Review Letters (Band 94, Artikel 096601) vor.
Stefan Maier
