Thermoelektrische Generatoren, kurz TEGs, wandeln Umgebungswärme in elektrische Energie um. Sie bieten eine wartungsfreie, umweltfreundliche und autarke Stromversorgung für die stetig wachsende Zahl von Sensoren und Geräten für das Internet der Dinge (IoT) und eine Möglichkeit für die Rückgewinnung von Abwärme. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun dreidimensionale Bauteilarchitekturen mit neuartigen, druckbaren thermoelektrischen Materialien entwickelt. Diese könnten einen Meilenstein für die Nutzung kostengünstiger TEGs darstellen. Über ihre Ergebnisse berichten sie in den Zeitschriften npj Flexible Electronics (DOI: 10.1038/s41528-020-00098-1) und ACS Energy Letters (DOI: 10.1021/acsenergylett.0c02159).
„Thermoelektrische Generatoren können thermische direkt in elektrische Energie umwandeln. Diese Technologie erlaubt es, energieautarke Sensoren für das Internet der Dinge oder in Wearables, wie Smartwatches, Fitnessarmbänder oder digitale Brillen, ohne Batterien zu betreiben“, sagt Professor Uli Lemmer, Leiter des Lichttechnischen Instituts (LTI) des KIT. Weiterhin könnten sie in der Rückgewinnung von Abwärme in der Industrie und in Heizsystemen oder der Geothermie eingesetzt werden.
Neue Druckverfahren dank maßgeschneiderter Tinten
„Konventionelle TEGs müssen durch relativ aufwendige Fertigungsverfahren aus Einzelteilen zusammengestellt werden“, so Lemmer. „Um dies zu umgehen, haben wir neuartige druckbare Materialien erforscht und neben zwei innovativen Verfahren sowohl organische als auch auf anorganischen Nanopartikeln basierende Tinten entwickelt.“ Mit diesen ließen sich kostengünstige, dreidimensionale gedruckte TEGs herstellen.
Beim ersten Verfahren wird mittels Siebdruck auf einer hauchdünnen flexiblen Substratfolie ein 2D-Muster aus thermoelektrischen Drucktinten aufgetragen und anschließend mit einer Origami-Technik ein etwa zuckerwürfelgroßer, quaderförmiger Generator zusammengefaltet. Diese Methode haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT gemeinsam mit dem InnovationLab in Heidelberg und einem KIT-Spin-Off-Unternehmen entwickelt. Bei dem zweiten Verfahren drucken die Forschenden zuerst ein 3D-Grundgerüst, auf dessen Oberflächen sie dann die thermoelektrische Tinte auftragen.
Kostenersparnis durch Drucktechnologien
Hochskalierbare Herstellungsprozesse wie das Drucken in einem Rolle-zu-Rolle-Siebdruck oder in moderner additiver Fertigung (3D-Druck) seien daher Schlüsseltechnologien, ist Lemmer überzeugt. „Die neuen Herstellungsverfahren erlauben nicht nur eine kostengünstige und skalierbare Produktion dieser TEGs, durch die Drucktechnologien lässt sich das Bauteil individuell an die jeweiligen Anwendungen anpassen. Wir arbeiten mit Nachdruck daran, die gedruckte Thermoelektrik kommerziell verfügbar zu machen“, betont er.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), der Graduiertenschule MERAGEM sowie die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) haben die Forschung innerhalb des Exzellenzclusters 3DMM2O unterstützt.
Originalpublikationen:
Andres Georg Rösch, André Gall, Silas Aslan, Matthias Hecht, Leonard Franke, Md. Mofasser Mallick, Lara Penth, Daniel Bahro, Daniel Friderich, and Ulrich Lemmer: Fully printed origami thermoelectric generators for energy-harvesting. npj Flex Electron 5, 1 (2021). https://doi.org/10.1038/s41528-020-00098-1
Md Mofasser Mallick, Leonard Franke, Andres Georg Rösch, and Uli Lemmer: Shape-Versatile 3D Thermoelectric Generators by Additive Manufacturing ACS Energy Lett. 6, 85 (2021). https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02159
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.