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Winzige Energiesammler

Dr. Roman Tkachov begutachtet an einem Dispensdrucker im Fraunhofer IWS Dresden eine Folie, die er mit zwei verschiedenen leitenden Polymeren bedruckt hat. »PEDOT:PSS« ist ein Polymer mit positiven Ladungsträgern (»p-leitend«), während »Poly(Kx[Ni-itto])« negative Ladungsträger transportiert (»n-leitend«). Dies zeigt auch: Die Polymere des IWS lassen sich mit Standard-Techniken wie Druckern oder Rotationsbeschichtung verarbeiten. Foto: Fraunhofer-IWS Dresden

Dr. Roman Tkachov begutachtet an einem Dispensdrucker im Fraunhofer IWS Dresden eine Folie, die er mit zwei verschiedenen leitenden Polymeren bedruckt hat. »PEDOT:PSS« ist ein Polymer mit positiven Ladungsträgern (“p-leitend”), während “Poly(Kx[Ni-itto])” negative Ladungsträger transportiert (“n-leitend”). Dies zeigt auch: Die Polymere des IWS lassen sich mit Standard-Techniken wie Druckern oder Rotationsbeschichtung verarbeiten. Foto: Fraunhofer-IWS Dresden

Fraunhofer Dresden entwickelt leitfähige Polymertinte für kleine thermoelektrische Generatoren

Dresden, 11. Oktober 2018. Das „Internet der Dinge“ gewinnt in der Wirtschaft bereits Gestalt: In der Landwirtschaft überwachen Sensoren den Reifegrad von Weintrauben und Äpfeln, in Fabriken kontrollieren sie jeden einzelnen Fertigungsschritt. Keiner aber hat Zeit, Geld und Personal genug, um Stromleitungen durch die Felder zu legen oder ständig Leute loszuschicken, um Ackersensoren immer wieder mit neuen Batterien zu bestücken. Sprich: Diese künstlichen Augen müssen sich autark mit Strom versorgen: Durch biegsame organische Solarzellen oder durch winzige thermoelektrische Generatoren, die aus Wärme Strom machen. Experten vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Dresden haben nun neue Materialien entwickelt, mit denen die Ausbeute solcher Kleinstgeneratoren deutlich steigen könnte.

Elektronen-Polymertinte überaltert bei Luftkontakt nicht mehr

Die Fraunhofer-Ingenieure habe dafür eine Tinte aus leitfähigen Polymeren entwickelt. In Zukunft wollen sich damit thermoelektrische Generatoren drucken, die – bisher vergeudete – Abwärme als elektrische Energie nutzbar machen. Sie setzen dafür kleine Moleküle zu Polymeren zusammen, die negative Ladungsträger (Elektronen) transportieren können. Damit drucken oder sprühen sie sehr dünne und glatte organische Funktionsschichten auf Oberflächen. Ihre Polymer-Schichten bleiben auch danach unter Alltagsbedingungen vergleichsweise stabil. Das ist nicht selbstverständlich. Denn solche langen organischen Moleküle neigten normalerweise dazu, zu altern und ihre besonderen Eigenschaften zu verlieren, wenn sie mit Luft in Kontakt kommen.

Die Ingenieure haben eine Glasplatte durch Rotationsbeschichtung (»Spin Coating«) mit einer besonders glatten und leitfähigen Polymerschicht aus »Poly(Kx[Ni-itto])« überzogen. Daneben steht ein Probenfläschchen der Polymerlösung. Foto: Fraunhofer-IWS Dresden

Die Ingenieure haben eine Glasplatte durch Rotationsbeschichtung (“Spin Coating”) mit einer besonders glatten und leitfähigen Polymerschicht aus “Poly(Kx[Ni-itto])” überzogen. Daneben steht ein Probenfläschchen der Polymerlösung. Foto: Fraunhofer-IWS Dresden

“Stromversorgung von außen wäre nicht mehr notwendig”

„Wir wollen so thermoelektrische Generatoren konstruieren, die zum Beispiel Sensoren an schwer zugänglichen Stellen mit Energie versorgen, an denen ein Batteriewechsel nicht sinnvoll, nicht möglich oder sehr teuer ist“, berichtet Lukas Stepien, der mit Dr. Roman Tkachov im Fraunhofer IWS Dresden dieses Entwicklungsprojekt betreut. Gedacht sei zunächst an warme Rohre in Industriefabriken, die nicht heißer als 100 Grad Celsius werden – bisher ist dies die Obergrenze für die untersuchten Polymere. „Diese Technologie wäre aber auch nützlich im ,Internet der Dinge’: Sensoren und andere elektronische Bauelemente könnten mit thermoelektrischen Generatoren ihren elektrischen Energiebedarf selbst decken. Eine Stromversorgung von außen wäre dann nicht mehr notwendig“, ergänzt Lukas Stepien.

Bisher nur Milliwatt-Ausbeute

„Thermoelektrische Generatoren“ sind als Konzept zwar schon seit Jahren bekannt. Allerdings ist ihr Wirkungsgrad für einen massenhaften Einsatz noch immer viel zu gering: Sie wandeln im Schnitt nur sechs Prozent der Wärmeenergie in elektrischen Strom um. „Dass sich diese Technik bislang nicht durchsetzen konnte, lag vielleicht auch an den zu hohen Erwartungen der Industrie“, berichtet Lukas Stepien. „Heutige thermoelektrische Generatoren auf Basis von Polymeren liefern leider meist nur ein paar Milli-Watt.“

Ein Dispensdrucker beschichtet Folien mit dem leitfähigen und flüssigen Polymer "Poly(Kx[Ni-itto])". Foto: Fraunhofer-IWS Dresden

Ein Dispensdrucker beschichtet Folien mit dem leitfähigen und flüssigen Polymer “Poly(Kx[Ni-itto])”. Foto: Fraunhofer-IWS Dresden

Weniger Spritzverbrauch im Auto möglich

Gelänge es indes, diese Ausbeute deutlich zu steigern, könnte dies weitreichende Folgen für die deutschen Energiebilanzen haben: Autohersteller beispielsweise träumen seit langem davon, ihre Motoren mit solchen thermoelektrischen Generatoren zu beschichten, um die bisher mühsam weggekühlte Abwärme der Antriebsmaschinen elektrisch wiederzuverwerten. Der Kraftstoffverbrauch von Autos ließe sich so um bis zu ein Zehntel senken, geht aus Schätzungen hervor.

Autor: Heiko Weckbrodt