Physik

Klimaanlagen sind energiefressend, weshalb sie in den Sommermonaten beim Stromverbrauch unter den Haushaltsgeräten an erster Stelle stehen. Jetzt haben Teppei Yamada und seine Kollegen von der Universität Tokio ein Material entwickelt, das dazu beitragen könnte, den Energiebedarf von Klimaanlagen zu senken, indem es die Abwärme dieser Systeme in Strom umwandelt [1]. Das Material könnte auch in tragbaren Geräten verwendet werden, die ihren eigenen Strom erzeugen müssen. „Technologien, die Wärme in Strom umwandeln, stecken noch in den Kinderschuhen“, sagt Yamada. „Hier machen wir das zum ersten Mal mithilfe eines [Polymer-]Phasenübergangs.“

Das Material, das Yamada und seine Kollegen verwenden, ist ein thermoresponsives Polymer namens PNV, ein wasserabsorbierendes Polymer, das von anderen entwickelt wurde. In Lösung saugt PNV bei Raumtemperatur Wasser an, sodass jeder Polymerstrang die Form einer aufgeblähten Spirale annimmt. Erhitzen Sie die Mischung auf über etwa 40 °C und die Ketten vertreiben das Wasser und schrumpfen zu kompakten Kügelchen.

Der „Spirale-Kugel“-Übergang von PNV kann auch durch eine Redoxreaktion induziert werden, bei der es sich um eine Reaktion handelt, bei der Elektronen zwischen zwei Materialien übertragen werden. Bei der Synthese ist jeder Strang des PNV Yamada und seiner Gruppe positiv geladen, mit einer Nettoladung von +2 (PNV2+). Diese Gebühr kann durch verschiedene Methoden um eins reduziert werden. PNV+ durchläuft den gleichen Knäuel-Kugel-Übergang wie PNV2+, jedoch bei etwa 20 °C statt 40 °C. Wenn also in einer auf 30 °C gehaltenen Probe eine Redoxreaktion stattfindet, löst der Elektronentransfer einen Phasenübergang aus.

Die Berechnungen des Teams zeigen, dass dieser durch Redox ausgelöste Phasenübergang unter bestimmten Bedingungen genutzt werden kann, um in einem batterieähnlichen Gerät eine Spannung zu erzeugen. Im Großen und Ganzen läuft der Prozess wie folgt ab: An einer Elektrode spendet die Kügelchen PNV+ ein Elektron an die Elektrode. Diese Spende oxidiert PNV+, das sich dann in PNV2+ verwandelt und zu einer aufgeblähten Spirale anschwillt. An der anderen Elektrode nimmt gewickeltes PNV2+ ein Elektron auf. Durch diese Aktion wird PNV2+ zu PNV+ reduziert und das Polymer zu Kügelchen schrumpft. Der Zyklus wiederholt sich dann.

Damit diese Reaktion eine Spannung erzeugt, müssen die Elektroden unterschiedliche Temperaturen haben. In diesem Fall muss die kalte Elektrode eine Temperatur knapp über der Spule-zu-Kugel-Übergangstemperatur von PNV+ und die heiße Elektrode eine Temperatur knapp unter der Spule-zu-Kugel-Übergangstemperatur von PNV2+ haben. Dieser Temperaturgradient führt zu einem Ungleichgewicht in der Verteilung der Spulen und Kügelchen im gesamten Gerät, was wiederum eine elektrochemische Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden induziert. Dieser Unterschied sei eine Voraussetzung für die Spannungserzeugung in jedem System, auch in normalen Batterien, sagt Teammitglied Hongyao Zhou. „Wenn es keinen Temperaturgradienten gäbe, würden wir keine Spannung bekommen, weil die Phasenübergänge an den beiden Elektroden gleichermaßen stattfinden würden, die dann das gleiche elektrochemische Potenzial hätten“, fügt er hinzu.

Für ihre Demonstration bauten die Forscher eine Batterie aus zwei Platinschichten, zwischen denen sie ihre PNV-Mischung platzierten. Ursprünglich lag die Hälfte des PNV in oxidierter Form (PNV2+) und die andere Hälfte in reduzierter Form (PNV+) vor. Sie stellten die Kaltelektrode auf 25 °C ein und erhöhten die Temperatur der Heißelektrode von 25 °C auf 45 °C, während sie gleichzeitig den Spannungsausgang maßen.

Bei der 50:50-Mischung stellten die Forscher fest, dass die Ausgangsspannung plötzlich anstieg, wenn der Temperaturunterschied 10 °C überschritt. Die maximale Ausgangsleistung ihrer Batterie lag bei etwa 20 Millivolt, eine Spannung, die laut Zhou durch den Anschluss mehrerer Geräte erhöht werden könnte. Der für diesen Spannungssprung erforderliche Temperaturunterschied war einstellbar und erreichte sowohl höhere als auch niedrigere Werte, als das Team das Verhältnis von PNV+ zu PNV2+ in der anfänglichen Mischung änderte. Als sie das PNV durch ein Molekül ersetzten, das die Redoxreaktion durchläuft, mit dem jedoch keine Polymerkette verbunden ist, wurde nur ein winziger Spannungsausgang festgestellt, was darauf hindeutet, dass tatsächlich der Polymerphasenübergang hinter der Stromerzeugung steckte, sagt Zhou.

Yamada, Zhou und ihre Kollegen führten auch das umgekehrte Experiment durch, bei dem sie einen Strom anlegten und die induzierte Temperaturänderung im System maßen, ein Phänomen, das zur Kühlung elektronischer Geräte genutzt werden könnte. Dieser Effekt war geringer, aber es kam zu einer Temperaturänderung von einigen Millikelvin. Zhou sagt, dass dies das erste Mal ist, dass eine Temperaturänderung durch den Phasenübergang des Polymers erzielt wird.

Bei den Demonstrationen des Teams wurde der Temperaturgradient mithilfe von Laborinstrumenten eingestellt. Zhou stellt sich vor, dass dies in realen Anwendungen mithilfe der Abwärme anderer Geräte, beispielsweise einer Klimaanlage, geschehen könnte. Die Wärme könnte auch vom menschlichen Körper ausgehen. „Die ideale Temperatur für den Betrieb dieses Geräts liegt nahe der Körpertemperatur, sodass wir Körperwärme und Luft zur Stromerzeugung nutzen könnten“, sagt Yamada. „Da gibt es viele Möglichkeiten.“

„Diese Arbeit bietet einen neuen Weg zur Verwendung von Polymermaterialien in Energieanwendungen“, sagt Javier Carretero-González vom Institut für Polymerwissenschaft und -technologie in Spanien, der funktionelle Polymermaterialien für nachhaltige Energietechnologien entwickelt. „Der Einsatz neuer und nachhaltigerer Polymermaterialien bei der Energiespeicherung und -umwandlung könnte eine Alternative zu anorganischen und metallischen Systemen eröffnen, die normalerweise teurer sind“, sagt er. Das wäre ein klarer Vorteil gegenüber aktuellen Technologien.

–Katherine Wright

Katherine Wright ist stellvertretende Herausgeberin des Physics Magazine.

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