Thermisches Micro Energy Harvesting durch Aktuierung thermomagnetischer Schichten

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Sebastian Fähler; Professor Dr. Manfred Kohl
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230771024

In dem Projekt “Thermisches Micro Energy Harvesting durch Aktuierung thermomagnetischer Schichten” wird ein neuartiger Ansatz zur Gewinnung von elektrischer aus thermischer Energie im Miniaturmaßstab untersucht. Dieses Projekt erweitert ein Vorläuferprojekt des KIT, in dem thermo-magnetische Generatoren (TMG) mit einer mittleren Leistungsdichte des aktiven Materials von 118 mW cm-3 und 5% der Carnot-Effizienz entwickelt wurden. Diese Kenndaten konkurrieren bereits mit den besten thermoelektrischen Generatoren auf der Längenskala im Zentimeter-Bereich und darunter. Das aktuelle Projekt adressiert die zentralen Kennwerte eines TMGs: (1) Erweiterung des nutzbaren Temperaturbereiches auf 30–100°C, (2) Erhöhung der elektrischen Leistung und (3) Verbesserung der thermodynamischen Effizienz. Da die Funktion von minaturisierten TMGs eng mit den verwendeten thermomagnetischen Schichten verknüpft ist, bündelt dieses Gemeinschaftsprojekt die komplementäre Kompetenz des KIT zur Mikrosystemtechnik und des IFW zu thermomagnetischen Schichten.Zur Optimierung der TMG-Kennwerte (1)-(3) werden die thermomagnetischen Eigenschaften von Ni-Mn-basierten Heusler- und Ga-basierten Schichten (Übergangstemperaturen, temperaturabhängige Änderung der Magnetisierung dM/dT, Hysterese) über Zusammensetzung und Ordnungsgrad gezielt eingestellt. Das Design der TMGs wird durch verbesserte Wärmeübergänge, steilere magnetische Feldgradienten, sowie abgestimmte mechanische Resonanz optimiert. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs kommen insbesondere mikrostrukturierte Schichten zum Einsatz, die mit Kupfer aufgefüllte Gräben beinhalten. Das Skalierungsverhalten der TMG-Kennwerte wird sowohl experimentell als auch durch Diskrete-Elemente-Modelle untersucht. Basierend auf dem optimierten Skalierungsverhalten eines einzelnen TMG werden verteilte Systeme aus 1D- und 2D-Anordnungen mehrerer TMGs entwickelt, um die Gesamtleistung an den konkreten Bedarf von IoT und Industrie4.0 anzugleichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Kooperationspartner: Professor Dr. Hiroyuki Miki