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Energie aus dem Auspuff

Der Humboldt-Forschungspreis ermöglicht es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus aller Welt, in Kooperationsprojekten in Deutschland zu forschen. Zum Beispiel an Materialien, die überschüssige Wärme in nutzbare Energie umwandeln.

Wärmebild von Auspuff
© iStock/Marccophoto

Ein Großteil des Kraftstoffs geht über den Auspuff als ungenutzte Wärme verloren. Thermoelektrische Materialien könnten sie in elektrische Energie umwandeln.

Wer an einem schönen Sommertag auf die Autobahn fährt – linke Spur, 180 km/h – dessen Auspuff hat sich nach kurzer Zeit stark aufgeheizt, während die Außenluft weiterhin bei vielleicht 24 Grad liegt. „Aus dieser Temperaturdifferenz machen wir nichts, diese Energie wird nicht genutzt“, sagt Wolfgang Bensch, Professor für Anorganische Chemie. „Nur etwa 25 Prozent des Kraftstoffs verbrauchen wir zum Fahren, der Rest geht zum Beispiel als ungenutzte Abwärme durch den Auspuff verloren.“ Sogenannte thermoelektrische Materialien könnten die ungenutzte Wärme in elektrische Energie umwandeln: Durch das Temperaturgefälle zur Umgebung bewegen sich die Elektronen in diesen Materialien und erzeugen so eine elektrische Spannung.

Eingesetzt werden thermoelektrische Module bereits unter anderem zur Energieerzeugung in der Raumfahrt. Nach demselben Prinzip lassen sich auch Armbanduhren durch den Wärmeunterschied zwischen Haut und der kühleren Umgebungstemperatur betreiben oder erzeugen tragbare Grills elektrische Energie – zum Beispiel um beim Outdoor-Trip ein Handy aufzuladen. Auch haben erste Automobilhersteller thermoelektrische Bauteile getestet, um Kraftstoff einzusparen. Doch massentauglich sind diese Anwendungen bisher nicht. „Die verwendeten chemischen Elemente wie Bismut, Tellur oder Blei gehören zu den eher seltenen und sind partiell nicht besonders umweltkompatibel“, erläutert Bensch.

Nur etwa 25 Prozent des Kraftstoffs verbrauchen wir zum Fahren, der Rest geht zum Beispiel als ungenutzte Abwärme durch den Auspuff verloren.

Wolfgang Bensch

Angesichts des Potenzials thermoelektrischer Bauteile forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf der ganzen Welt nach Alternativmaterialien. Bensch selbst hat sich intensiv mit der Frage befasst, welche chemischen Prozesse bei der Bildung anorganischer Materialien ablaufen. Seine Arbeitsgruppe war 2001 eine der weltweit ersten, denen es gelang, chemische Reaktionen mit einem eigens entwickelten Verfahren in situ zu beobachten, also gewissermaßen live.

Neben Wolfgang Bensch ist auch David C. Johnson von der University of Oregon auf der Suche nach innovativen und thermoelektrischen Werkstoffen. Der Professor für Chemie hat eine Synthese entwickelt, mit der sich hauchdünne Schichten im Nanometerbereich von Materialien abscheiden und neu zusammensetzen lassen. So entstehen völlig neue Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften. Ausgezeichnet mit dem Humboldt-Forschungspreis reiste Johnson in diesem Jahr nach Kiel, um sich über gemeinsame Fragestellungen und neue wissenschaftliche Methoden auszutauschen: „Der Humboldt-Forschungspreis ist eine große Ehre für mich. Ich freue mich, hier mit Professor Bensch als einem der international führenden Experten im In-situ-Monitoring chemischer Reaktionen und der Erforschung von Reaktionsmechanismen arbeiten zu dürfen.“

Während seines vierwöchigen Aufenthalts in Kiel arbeitete Johnson mit verschiedenen Arbeitsgruppen der Chemie, Physik und Materialwissenschaft. Von den direkten Austauschmöglichkeiten profitieren vor allem auch junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Neben dem Kennenlernen neuer Methoden ermöglichen ihnen die hier geknüpften Kontakte zum Beispiel, für einen Teil ihrer Doktorarbeit bei Johnson in den USA zu forschen. „Die Methoden von Benschs Team sind äußert leistungsfähig und das Fachwissen hier ist einzigartig – unsere Diskussionen waren für mich sehr wertvoll“, so Johnsons Bilanz seines ersten Besuchs.

„Mit David Johnson konnten wir einen der weltweit führenden Wissenschaftler auf seinem Gebiet gewinnen“, freut sich Gastgeber Bensch, der Johnson für den Preis nominiert hatte. „Durch seine fantastische neue Methode lassen sich fast alle Elemente des Periodensystems verbinden – das sind Millionen von Kombinationsmöglichkeiten für neue Materialien.“ Vielleicht wird auch eines darunter sein, das effizientere thermoelektrische Bauteile und damit eine nachhaltige Energienutzung ermöglicht. 2020 will Johnson nach Kiel zurückkehren, um die Zusammenarbeit mit Bensch vor Ort fortzusetzen – sowohl im Labor als auch in der Küche. „Denn Wolfgang Bensch ist nicht nur ein hervorragender Chemiker, sondern auch ein ausgezeichneter Koch“, verrät Johnson.

Autorin: Julia Siekmann

Humboldt-Forschungspreis

Mit dem Preis der Alexander von Humboldt-Stiftung werden international renommierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ausgezeichnet, die durch grundlegende Entdeckungen ihre Fachgebiete nachhaltig geprägt haben. Sie sind eingeladen, in Deutschland selbst gewählte Forschungsvorhaben in Kooperation mit Fachkolleginnen und -kollegen für einen Zeitraum von bis zu einem Jahr umzusetzen. Der Preis ist mit 60.000 Euro dotiert. jus

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