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„Blaues“ Erz für effizientere Energieumwandlung

Skutterudite zählten in der Vergangenheit zu den wichtigsten Erzen für das Blaufärben von Porzellan. Die Mineralien wurden nahe dem Dorf Skutterud in Norwegen gefördert und 1845 erstmals wissenschaftlich beschrieben. Aufgrund ihrer thermoelektrischen Eigenschaften können Skutterudite Wärme in Strom umwandeln. Wissenschafter der Technischen Universität (TU) Wien und der Universität Wien haben nun eine völlig neue Familie von Skutteruditen entdeckt. Diese verzichten auf giftige Materialien wie Arsen und sind daher wesentlich vielseitiger einsetzbar.

Ernst Bauer

Ernst Bauer

Ernst Bauer

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Kristallstruktur einer Barium-Platin-Germanium-Verbindung

Kristallstruktur einer Barium-Platin-Germanium-Verbindung

Kristallstruktur einer Barium-Platin-Germanium-Verbindung

Kristallstruktur einer Barium-Platin-Germanium-Verbindung

Wien (TU). – „Thermoelektrika“ heißt das Zauberwort. Gemeint ist damit eine Gruppe von Stoffen, zu denen Skutterudite gehören. Sie sind so konzipiert, dass sie aus Wärme (z.B. Abwärme) Elektrizität gewinnen oder mit Hilfe von Strom Kälte erzeugen. Auf diese Weise kommen beispielsweise Kühlaggregate ohne Motor und Kühlmittel aus, weil Elektronen deren Aufgaben übernehmen. „Bekannte Skutterudite basieren auf Festkörperverbindungen aus elektropositiven Elementen (Barium, Strontium, Lanthan), sogenannten Übergangsmetallen wie Cobalt, Rhodium oder Iridium sowie aus Pnictogenen wie Phosphor, Arsen oder Antimon. Die letzten drei Elemente sind problematisch, Arsen ist sogar giftig. Nun haben wir sie in einer Barium-Platin-Verbindung durch Germanium ersetzt und damit das erste Beispiel einer neuen Generation von Skutteruditen kreiert“, erklärt Ernst Bauer vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. Zusammen mit seinen Kollegen Peter Franz Rogl und Raimund Podloucky von der Uni Wien möchte er die neuen Erkenntnisse nutzen, um noch leistungsfähigere thermoelektrische Materialien zu finden. Im Rahmen eines FFG-Projektes mit der AVL List GmbH Graz soll mit Hilfe solcher Stoffe Elektrizität aus der Abwärme von Motoren gewonnen werden.

Die Kristallstruktur der neuen Skutterudite basiert auf einer Käfigform (cage forming compound), die dem Material seine mechanischen und elektrischen  Eigenschaften verleiht. Germanium als sehr stabiles Element, ersetzt nun vollständig die Pnictogenatome des Kristalls. Im Käfig selbst erproben die Wissenschafter unterschiedliche, schwach gebundene Elemente, die die physikalischen Eigenschaften außerordentlich stark beeinflussen. Bauer: „Elektropositive Atome befinden sich im Zentrum des Käfigs und bestimmen direkt thermische und elektrische Eigenschaften des Materials, wie zum Beispiel die thermische Leitfähigkeit oder den Seebeckeffekt. Neben diesen für Anwendungen wichtigen Eigenschaften zeigen die neu gefunden Skutterudite 'SrPt4Ge12' und 'BaPt4Ge12' überraschend das makroskopische Quantenphänomen der Supraleitung. Dabei verschwindet zum Beispiel unterhalb einer kritischen Temperatur von circa fünf Kelvin der elektrische Widerstand vollständig. Strom wird dann verlustfrei geleitet.“ Germanium, das vielfach zu halbleitenden Eigenschaften von Festkörpern führt, stellt gerade in diesen Verbindungen den Großteil jener Elektronen zur Verfügung, die Supraleitung bewirken.

Die Forschungsarbeiten von Ernst Bauer und seinen Kollegen werden in der Ausgabe vom 23. November 2007 der Zeitschrift „Physical Review Letters“ sowie in der Zeitschrift „Advanced Materials“ publiziert. Einst bescherten Skutterudite dem Ort Skutterud in Norwegen Wohlstand und lieferten die blauen Farbpigmente für chinesisches Porzellan. Davor konnten diese nur aus dem teuren Edelstein Lapislazuli hergestellt werden. Nun sind sie auch zu einer reichen Fundgrube für MaterialwissenschafterInnen geworden, die Grundlagen und angewandte Forschung miteinander verknüpfen.

Fotodownload: https://www.tuwien.ac.at/index.php?id=6112

Rückfragehinweis: 
Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Ernst Bauer
Technische Universität Wien
Institut für Festkörperphysik   
Wiedner Hauptstraße 8/138, 1040 Wien
T +43/1/58801 – 13160, -13144
F +43/1/58801 – 13199
E ernst.bauer@tuwien.ac.at

Aussender:
Mag. Daniela Hallegger
TU Wien - PR und Kommunikation
Karlsplatz 13/E011, A-1040 Wien
T +43-1-58801-41027
F +43-1-58801-41093
E daniela.hallegger@tuwien.ac.at
http://www.tuwien.ac.at/pr