Die Abwärme ihres Prozessors könnte Laptops zu einer längeren Betriebsdauer verhelfen. US-Ingenieure vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge und der Firma Eneco in Salt Lake City haben dazu eine Thermodiode entwickelt, die bereits bei Temperaturen ab 100 Grad Celsius Wärme in elektrischen Strom umwandeln kann. Damit nähern sich diese so genannten thermionischen Konverter einem wirtschaftlich interessanten Arbeitsbereich. Mit der bisherigen Technologie, die fast nur in nuklearen Reaktoren von Raumsonden oder Satelliten einen Einsatz fand, konnte Wärme erst bei rund 1000 Grad sinnvoll in Strom umgesetzt werden.
Die Wärmewandler bestehen im Prinzip aus zwei parallelen Leiterplatten. Wird die Kathodenplatte aufgeheizt, können die Elektronen in dem Material so stark angeregt werden, dass sie zur Anodenplatte wandern und damit einen Stromfluss erzeugen.
Trennte die beiden Platten bisher ein isolierendes Vakuum, füllten die MIT-Forscher diese Lücke mit einem mehrschichtigen Halbleitermaterial aus. Diese elektronenreichen Schichten auf der Basis von Indiumantimonid oder Quecksilbercadmiumtellurid verbesserten den Elektronenfluss deutlich.
“Der Bereich nahe der Wärmequelle ist sehr stark dotiert, so dass die Elektronen quasi herauskochen”, sagt Mitentwickler Peter L. Hagelstein vom MIT. So konnten die Forscher bisher rund 17 Prozent der Wärmeenergie in elektrischen Strom umwandeln. Das theoretische Maximum für diesen Prozess liegt bei etwa 50 Prozent Wirkungsgrad. Zudem setzte dieser thermionische Prozess bereits bei Temperaturen zwischen 100 und 300 Grad Celsius ein.
“Wenn Eneco diese thermionische Technologie mit einer Effizienz von 20 Prozent betreiben kann, wird in Zukunft die Welt der Energie durch den Einfluss dieser Innovation neu gestaltet”, meint Charles T. Maxwell, Energieexperte des US-Technologieberaters Weeden & Company. Dieses Ziel wollen die Wissenschaftler auch bald erreichen, indem sie das Austritts-Potenzial der Elektronen durch eine effektivere Dotierung der Halbleiter erhöhen.
Neben dem ehrgeizigen Ziel, die Abwärme von elektronischen Bauteilen in Zukunft nutzen zu können, könnten diese Thermodioden zuerst durch Automotoren betrieben werden und die Stromversorgung der Bordelektronik übernehmen. Umgekehrt können thermionische Elemente effektiv für einen sehr leisen Kühlprozess genutzt werden. Der Vorteil dieser Anwendung liegt darin, dass weder kreisende Lüfter noch Umwelt belastende Kühlmittel eingesetzt werden müssten.
Jan Oliver Löfken
