Wenn Chemiker, Physiker, Materialwissenschaftler, Ingenieure, Mathematiker und Informatiker zusammenarbeiten

Dabei geht es vor allem um zwei Klassen von Thermoelektrika. Zum einen sind das keramische Oxide wie etwa Kalzium-Manganat und Kalzium-Kobaltat. Sie halten sehr hohe Temperaturen bis rund 1.000 Grad Celsius aus, sind chemisch stabil, untoxisch und dürften in Zukunft wohl recht preisgünstig herzustellen sein. Allerdings liefern sie weniger Strom als die zweite Klasse von Thermoelektrika, die metallischen Verbindungen.

Zu den interessantesten zählen Kobalt-Verbindungen wie Skutterudit, Silicide genannte Silizium-Metall-Verbindungen, Blei- und Wismuth-haltige Telluride oder sogenannte intermetallische Verbindungen aus verschiedenen Metallen mit ungewöhnlichen Gitterstrukturen. "Die metallischen Thermoelektrika gehören zu den effizientesten", sagt Norby. Sie schmelzen auch nicht so schnell; allerdings neigen sie bei höheren Temperaturen zur Oxidation und korrodieren langsam. Deshalb sind sie nur bis etwa 500 Grad Celsius einsetzbar.

Viele Disziplinen müssen zusammenarbeiten

Bei der Erforschung von Thermoelektrika gibt es einige Herausforderungen. Denn die Entwicklung solcher Materialien ist eine stark interdisziplinäre Arbeit, bei der die Fähigkeiten von Chemikern, Physikern, Materialwissenschaftlern, Ingenieuren, Mathematikern und Informatikern gefragt sind. Mit neuen Rechenverfahren simulieren die Forscher neue Materialien im Computer und überprüfen die Eigenschaften dann in einem Teststand.

"In unserem Labor hier haben wir einen neuen Apparat zur Messung von thermoelektrischen Eigenschaften bei sehr hohen Temperaturen entwickelt", sagt Truls Norby. Das Gerät arbeitet von Raumtemperatur bis über 1.000 Grad Celsius und kann damit praktisch alle interessanten Materialien prüfen. Dabei bestimmen die Wissenschaftler die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die thermoelektrische Effizienz unter verschiedenen Situationen. Die Wissenschaftler verkaufen ihren Apparat mittlerweile sogar weltweit über eine Ausgründung.

Jahre vor dem Ziel

Die Forscher in Norwegen wollen damit aber auch selbst eine Reihe neuer Materialien untersuchen. Sie können zwar schon ein paar Erfolge vorweisen, doch sie sind noch nicht am Ziel. Die Forscher sind aber optimistisch. "In etwa zehn Jahren ist mit der Rückgewinnung von Energie aus Hochöfen und anderen metallurgischen Verfahren zu rechnen", so Norby.

Sollte die Entwicklung weitergehen, könnten spezielle Thermoelektrika auch in anderen Bereichen zum Einsatz kommen. So setzen etwa Motoren in Kraftfahrzeugen nur ein Zehntel bis ein Drittel des Energiegehalts im Kraftstoff in die Vorwärtsbewegung um. Der Rest verschwindet als Abwärme durch den Auspuff und über die Motorkühlung. Ein paar Prozent zurückgewonnene Energie könnten hier schon einen Unterschied machen. Aufgrund des zusätzlichen Gewichts wird das zunächst vermutlich bei Schiffsmotoren oder Lastkraftwagen der Fall sein. Aber im Prinzip fällt bei Verbrennungsmotoren so viel Abwärme an, dass der Einsatz von Thermoelektrika interessant werden könnte.

Aber auch bei anderen Prozessen, bei denen hohe Temperaturen auftreten, könnte sich Thermoelektrik als hilfreich erweisen: etwa bei der Solarthermie, Blockheizkraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen. Bei all diesen Anlagen werden auf konzentriertem Raum große Mengen Energie bei hohen Temperaturen umgesetzt - eigentlich ideale Voraussetzungen für Thermoelektrika. Vielleicht schon in wenigen Jahren werden ganz neue Materialien dann mithelfen, die Energieeffizienz bei wichtigen Prozessen weiter zu steigern.