| Medieninformation

Neue Veröffentlichung in "Nature Communication"

Wissenschaftler von TUHH und HZG entwickeln neuartige Nanomaterialien für die Umwandlung von Wärme in Strom

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg (TUHH), des Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) in Kooperation mit der kanadischen University of Alberta haben ein neuartiges optisches Nanomaterial hergestellt, das es ermöglicht, Wärme direkt in Strahlung und danach mit hoher Effizienz in elektrische Energie umzuwandeln. Das neu entwickelte Nanomaterial soll einen wichtigen Beitrag leisten, moderne Industriegesellschaften auf ressourcenschonenden Energieeinsatz umzustellen. Publiziert wird die Arbeit in „Nature Communications“, einer der weltweit wichtigsten Fachzeitschriften für fachübergreifende, wissenschaftliche Forschungsarbeiten.

Ultrahigh vacuum sputtering chamber for preparation of X-ray mirror multilayers

Die Schichtherstellung des neuartigen Nanomaterials erfolgte am Helmholtz-Zentrum Geesthacht. Mithilfe des Kathodenstrahlzerstäubens (engl. magnetron sputtering) werden ultrapräzise Schichtstapel aus den hochtemperaturfesten Materialien generiert. [Foto: HZG]

Wärmestrahlung direkt und mit hoher Effizienz in elektrische Energie umzuwandeln, bezeichnet man als Thermophotovoltaik. Hierfür haben die Hamburger Wissenschaftler geschickt Nanoschichten aus den hochtemperaturfesten Materialien Wolfram und Hafniumdioxid kombiniert und daraus ein sogenanntes optisches Metamaterial aufgebaut. Die Dicke einer Wolframschicht ist dabei fünftausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Dieses neuartige Nanomaterial unterdrückt die Aussendung unerwünschter langwelliger Wärmestrahlung bei 1000°C und lässt nur die Emission der auch technisch verwertbaren kürzerwelligeren Wärmestrahlung zu. Die langwellige Strahlung wird in der thermophotovoltaischen Energieumwandlung nicht gebraucht und wäre verloren.

Durch die Unterdrückung der langwelligen Emission lässt sich die Effizienz von thermophotovoltaischen Energiewandlern deutlich erhöhen, mit denen die in industriellen Prozessen anfallende Abwärme oder auch Wärme aus Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Das Hamburger Forscherteam konnte weltweit erstmals den Nachweis erbringen, dass eine solche selektive Emission mit Metamaterialien bei 1000°C möglich ist. Die Temperaturbeständigkeit des optischen Metamaterials ist Rekord.

Nasa-sunspot20120123 041257 2048 0304

Ein Ziel der Wissenschaftler: Wärmestrahlung direkt und mit hoher Effizienz in elektrische Energie umzuwandeln. [Foto: NASA]

Die optischen Nanomaterialien wurden im Sonderforschungsbereich 986 „Maßgeschneiderte Multiskalige Materialsysteme – M³“ der TUHH entwickelt. Der SFB wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. „Gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern von der University of Alberta ist es uns gelungen, alle erforderlichen Kompetenzen von der Theorie und elektromagnetischen Simulation über die Schichtherstellung bis hin zur optischen, thermischen und strukturanalytischen Charakterisierung zusammenzuführen und darüber hinaus einen hervorragenden länderübergreifenden Teamgeist zu etablieren“, sagt Professor Manfred Eich, Co-Sprecher des SFB 986 und Leiter des Instituts für Optische und Elektronische Materialien der TUHH.

Die Schichtherstellung des neuartigen Nanomaterials erfolgte am Helmholtz-Zentrum Geesthacht durch Dr. Michael Störmer, der dazu das Kathodenstrahlzerstäuben (engl. magnetron sputtering) nutzte, um ultrapräzise Schichtstapel aus den hochtemperaturfesten Materialien zu generieren.

Publikation:


"Controlling thermal emission with refractory epsilon near-zero metamaterials via topological transitions" by Pavel Dyachenko, Sean Molesky, Alex-ander Petrov, Michael Störmer, Tobias Krekeler, Slawa Lang, Martin Ritter, Zubin Jacob, and Manfred Eich [Paper #NCOMMS-15-23573B] in Nature Communications.

Hier geht es zum vollständigen Artikel (Nature Communications)

Kontakt:


Dr. Michael Störmer

Institut für Werkstoffforschung

Helmholtz-Zentrum Geesthacht
Max-Planck-Str. 1
21502 Geesthacht

Tel: +49 - 4152 - 87 -2628

Fax: +49 - 4152 - 87 -2636

E-Mail Kontakt

Prof. Dr. Manfred Eich

Institut für Optische und Elektronische Materialien

Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
Eißendorfer Straße 38
21073 Hamburg

Tel: +49 40 42878 3147

Fax: +49 40 42878 2229

E-Mail Kontakt

Medienkontakt:

Heidrun Hillen

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Max-Planck-Str. 1
21502 Geesthacht

Tel: +49 4152 87 1648

E-Mail Kontakt