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Temperaturunterschiede treiben Strom an? Warum kann thermische Energie in Strom umgewandelt werden?
Da der weltweite Bedarf an erneuerbarer Energie steigt, erforschen Wissenschaftler und Ingenieure zunehmend, wie sich die in der Natur vorkommende Wärme zur Stromerzeugung nutzen lässt. Unter ihnen erfährt der thermoelektrische Effekt als Technologie zur direkten Umwandlung von Temperaturunterschieden in Spannung große Aufmerksamkeit und wird intensiv erforscht.
Der thermoelektrische Effekt besteht aus drei faszinierenden Effekten: Seebeck-Effekt, Peltier-Effekt und Thomson-Effekt, die zusammen das Prinzip der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie darstellen.
Überblick über den thermoelektrischen Effekt
Der thermoelektrische Effekt kann vereinfacht als das Phänomen definiert werden, dass Spannung erzeugt wird, wenn zwischen den beiden Enden einer Substanz ein Temperaturunterschied besteht. Bei diesem Verfahren kann thermische Energie effektiv in elektrische Energie umgewandelt werden. Wie geschieht das? Wenn ein Temperaturgradient besteht, diffundieren Ladungsträger innerhalb einer Substanz von Bereichen höherer Temperatur zu Bereichen niedrigerer Temperatur, wodurch eine Spannung entsteht. Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz thermoelektrischer Geräte in Bereichen wie Stromerzeugung, Temperaturmessung und Temperatur-Feineinstellung.
Seebeck-Effekt
Der Seebeck-Effekt bezeichnet die elektromotorische Kraft, die über einem Leiter erzeugt wird, wenn zwischen zwei Punkten auf dem Leiter ein Temperaturunterschied besteht. Diese elektromotorische Kraft ist proportional zur Temperaturdifferenz und wird durch den Seebeck-Koeffizienten beschrieben. 1821 entdeckte der Physiker Seebeck das Phänomen wieder und gab ihm seinen Namen.
Beim Seebeck-Effekt handelt es sich nicht nur um die Erzeugung einer elektromotorischen Kraft, sondern er induziert auch einen messbaren Strom oder eine messbare Spannung, genau wie bei jeder anderen Form elektromotorischer Kraft.
So funktionieren thermoelektrische Geräte
Obwohl das Grundprinzip des thermoelektrischen Effekts einfach erscheint, bringt es im praktischen Einsatz zahlreiche Herausforderungen mit sich. Nehmen wir als Beispiel ein Thermoelement. Es besteht aus zwei Drähten aus unterschiedlichen Materialien, die an der Bimetallverbindung eine heiße Verbindung bilden. Der Temperaturunterschied an dieser heißen Verbindung treibt den Fluss des elektrischen Stroms an. Unterscheiden sich die Seebeck-Koeffizienten dieser Materialien, entsteht an ihren freien Enden eine messbare Spannung, was ihre Verwendung als Thermometer ermöglicht.
Peltier-Effekt
Der Peltier-Effekt ist ein weiteres wichtiges thermoelektrisches Phänomen, das auftritt, wenn ein elektrischer Strom durch die Verbindung zweier Leiter fließt und so eine Erwärmung oder Abkühlung verursacht. Durch die umgekehrte Beziehung dieser Effekte können thermoelektrische Geräte sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwendet werden. Dadurch eignen sie sich ideal für zahlreiche Anwendungen zur aktiven Kühlung, beispielsweise zur Wärmeableitung in elektronischen Geräten.
Von kleinen thermoelektrischen Kühlern bis hin zu komplexen Wärmepumpensystemen spielt der Peltier-Effekt in der modernen Technologie eine wesentliche Rolle.
Die Auswirkungen des Thomson-Effekts
Der Thomson-Effekt geht noch einen Schritt weiter und untersucht das Erwärmungs- bzw. Abkühlungsverhalten eines Stromleiters unter einem Temperaturgradienten. Mit anderen Worten: Bei diesem Effekt handelt es sich um die Wechselwirkung zwischen Strom und Temperaturänderungen innerhalb eines Leiters. Daher muss dieser komplexe Energieübertragungsmechanismus bei der Entwicklung jedes thermoelektrischen Geräts berücksichtigt werden.
Anwendungen thermoelektrischer Geräte
Da die Nachfrage nach Energieeffizienz steigt, erweitern sich auch die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten thermoelektrischer Geräte weiter. Von medizinischen Geräten bis hin zu tragbarer Technologie, von der Luft- und Raumfahrt bis hin zur industriellen Prozesssteuerung können thermoelektrische Geräte in einem breiten Anwendungsbereich eingesetzt werden.
Derzeit arbeiten diese Geräte zwar mit relativ geringer Effizienz, doch da sie unersetzlich sind und keine beweglichen Teile besitzen, eröffnen sich für ihre Zukunft völlig neue Möglichkeiten.
Zukunftsaussichten
Die thermoelektrische Technologie entwickelt sich rasant und die laufende Forschung konzentriert sich auf die Suche nach neuen Materialien, um die Effizienz dieser Technologie zu steigern. Darüber hinaus wird die Frage, wie sich Wärmekraftwerke mit anderen Technologien für erneuerbare Energien kombinieren lassen, eine wichtige Richtung künftiger Forschung sein. Könnte die flächendeckende Einführung thermoelektrischer Geräte eines Tages unser Verständnis von Energieeffizienz verändern?
