Selbstversorgte Sensoren und Geräte für das Internet der Dinge jetzt mit neuem Material möglich

03. March 2020
Selbstversorgte Sensoren und Geräte für das Internet der Dinge jetzt mit neuem Material möglich

Ein Material mit thermoelektrischen Eigenschaften wurde von Forschern des Instituts für Festkörperphysik der Technischen Universität Wien erfunden. Das Material wandelt zufällige Wärme in Elektrizität um, um genügend Energie für den Betrieb von Geräten zu erzeugen. Dies ist mehr als genug für Sensoren und andere kleine elektronische Geräte, die in der Welt des Internets der Dinge immer zahlreicher werden. Wenn es sich durchsetzt, wird es einen bedeutenden Durchbruch bei der Stromversorgung von internetbasierten Geräten darstellen, ohne dass die Stromerzeugungskapazität im Zuge des Ausbaus der 5G-Netze in der Telekommunikationswelt erhöht werden muss. Sie könnte den Anstieg der Energiekapazitäten drastisch abmildern, was sich auf die Treibhausgasemissionen aus fossilen Kraftwerken auswirkt.

fossilen Kraftwerken und den Klimawandel hat. Die Universität hat zwei Patente angemeldet und arbeitet mit dem Partner AVL Graz, dem National Institute of Materials Science in Japan und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zusammen, um die Entdeckung zu vermarkten. Sollte sie sich durchsetzen, könnte die Entdeckung einen bedeutenden Durchbruch im Internet und im Zusammenhang mit dem IoT darstellen.


mehr zum Thema   #masselose Quasiteilchen  #Physik  #thermoelektrische Materialien 


Ein Material mit thermoelektrischen Eigenschaften wurde von Forschern am Institut für Festkörperphysik der Technischen Universität Wien erfunden. Durch die Kombination von dünnen Schichten aus Eisen, Vanadium, Wolfram und Aluminium, die auf einen Siliziumkristall aufgebracht werden, wandelt das Material zufällige Wärme in Elektrizität um und erzeugt so genug Energie, um Geräte zu betreiben. Die erzeugte Strommenge ist nicht sehr groß, aber mehr als genug für Sensoren und andere kleine elektronische Geräte, die in der Welt des Internets der Dinge (IoT) immer zahlreicher werden.

Thermoelektrischer Fluss macht dieses Material anders

Drei Eigenschaften des Materials und einige grundlegende physikalische Gesetzmäßigkeiten machen seine energieerzeugenden Fähigkeiten möglich. Die dünnen Gitter aus kombinierten metallischen Materialien verändern beim Aufbringen auf das Silizium die Positionierung der Atome innerhalb der Gesamtstruktur.

Beim ersten Auflegen der Gitter ist jede der Metallkomponenten einheitlich strukturiert, das heißt, die Eisenatome sitzen nebeneinander. Aber in Kombination mit dem Silizium mischen sich die Eisenatome plötzlich in zufälliger Weise mit den Vanadium-, Aluminium- und Wolframatomen, wodurch eine unregelmäßige atomare Anordnung entsteht, die ihre elektronischen Eigenschaften verändert. Dadurch kann ein geringer elektrischer Widerstand, der durch eine externe Wärmequelle erzeugt wird, von einem Teil der kristallinen Struktur zu Bereichen mit niedrigerer Temperatur wandern.

In einer aktuellen Presseaussendung der Universität Wien erklärt Professor ErnstBauer, der das Labor für Festkörperphysik leitet,"Die elektrische Ladung bewegt sich auf eine besondere Weise durch das Material, so dass sie vor Streuprozessen geschützt ist. Die Teile der Ladung, die sich durch das Material bewegen, werden als Weyl-Fermionen bezeichnet."

Falls Sie wie ich mit Weyl-Fermionen nicht vertraut sind, sie wurden erst 2015 entdeckt und sind masselose Quasiteilchen, die sich in speziellen Materialien befinden und sich durch diese bewegen. Dadurch entsteht ein thermoelektrischer Fluss.

Seebeck-Effekt erzeugt die Elektrizität

Thermoelektrische Materialien haben eine einzigartige Fähigkeit, Wärme in Elektrizität umzuwandeln. Der so genannte Seebeck-Effekt tritt auf, wenn ein Material ein Temperaturgefälle zwischen seinen beiden Endpunkten aufweist. Die erzeugte Energie ist in der Regel so gering, dass wir sie meist übersehen. Aber dieses neue Material erzeugt einen thermoelektrischen Effekt, der 2,5 Mal oder mehr größer ist als alle bisher geschaffenen thermoelektrischen Materialien. Gleichzeitig überträgt das Material den thermoelektrischen Fluss, ohne die Wärme zu übertragen. Das macht es ideal für Elektronik, die ohne eine Batterie oder ein angeschlossenes Kabel läuft.

Elektrizität für das IoT

Die wachsende Anzahl elektronischer Geräte in der Welt des IoT (es wird erwartet, dass sie innerhalb von ein oder zwei Jahrzehnten in die Billionen geht) bedeutet, dass der Strombedarf exponentiell ansteigen könnte. Die Entdeckung der Universität Wien könnte den Anstieg der Energiekapazität drastisch abmildern, was Auswirkungen auf die Treibhausgasemissionen von Kraftwerken, die fossile Brennstoffe emittieren, und den Klimawandel hat.

Sensoren und andere elektronische Geräte, an denen ein kleines, effizientes thermoelektrisches Element angebracht ist, könnten Abwärmequellen nutzen, um den thermoelektrischen Effekt auszulösen.

Die Universität hat zwei Patente angemeldet und arbeitet mit dem Partner AVL Graz, dem National Institute of Materials Science in Japan und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften an der Kommerzialisierung der Entdeckung. Sollte sich die Entdeckung durchsetzen, wird sie einen bedeutenden Durchbruch bei der Stromversorgung von internetbasierten Geräten darstellen, ohne dass die Stromerzeugungskapazität im Zuge der Einführung von 5G-Netzen in der Telekommunikationswelt erhöht werden muss.

 

Autor: Len Rosen

Bildnachweis: GE Berichte

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht auf 21stcentech