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

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Dieses Projekt befasste sich mit der Entwicklung von thermomagnetischen Miniaturgeneratoren (TMG) basierend auf dem Prinzip der resonanten Selbstaktuierung durch Verknüpfung von Mikrosystemtechnik (KIT) und thermomagnetische Werkstoffwissenschaft (HZDR). Da die Leistung eines TMG eng mit den darin verwendeten Funktionswerkstoffe zusammenhängt, haben wir Richtlinien für effiziente und kostengünstige thermomagnetische Werkstoffe entwickelt. Aus der großen Anzahl relevanter Werkstoffe, die wir evaluiert haben, haben wir Heusler-Legierungen als besonders vielversprechend für Mikrosysteme identifiziert. Dementsprechend optimierten wir systematisch Ni-Mn-Ga-Schichten durch Zugabe von Cu und eine zusätzliche Wärmebehandlung. Dieses quaternäre System ermöglicht es, die thermomagnetischen Eigenschaften über einen weiten Bereich einzustellen und die Auswirkungen der Änderung der Anzahl der Valenzelektronen durch die Zugabe von Cu sowie die Änderung der chemischen Ordnung vor und nach der Wärmebehandlung zu entflechten. Es wurde ein validiertes LEM-Modell (Lumped Element Model) entwickelt, um die dynamischen Eigenschaften von TMG umfassend zu beschreiben und zentrale Funktionsparameter zu identifizieren. Die Auswirkung der Skalierung des aktiven Materialvolumens wurde anhand der Erhöhung der Schichtdicke und der Anzahl der parallel arbeitenden Bauelemente untersucht. Durch Hochskalieren der Schichtdicke wurde eine erhebliche Steigerung der elektrischen Leistung pro Grundfläche um den Faktor 3,4 erzielt. So erreichten TMG-Bauelemente bis zu 50 mikroW/cm2 bei einer Temperaturänderung von nur 3 °C im TM-Material. In weiteren Studien wurde der kritische Abstand zwischen parallel arbeitenden TMG-Bauteilen ermittelt, ab dem thermische Kreuzkopplung auftritt. Die minimale Wärmequellentemperatur zum Betrieb des TMG-Bauelements unter resonanten Selbstaktuierungs-Bedingungen in der Nähe von Raumtemperatur, konnte durch den Einsatz von TM-Schichten mit abnehmender Curie-Temperatur bis herab zu ~50 °C gesenkt werden, wobei die hohe Ausgangsleistung beibehalten wurde.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Upscaling of Thermomagnetic Generators Based on Heusler Alloy Films. Joule, 4(12), 2718-2732.
  Joseph, Joel; Ohtsuka, Makoto; Miki, Hiroyuki & Kohl, Manfred
  
• Coupling Effects in Parallel Thermomagnetic Generators Based on Resonant Self-Actuation. 2021 21st International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers) (2021, 6, 20), 463-466. IEEE.
  Joseph, Joel; Wehr, Mira; Miki, Hiroyuki; Ohtsuka, Makoto & Kohl, Manfred
  
• Efficient and affordable thermomagnetic materials for harvesting low grade waste heat. APL Materials, 9(1).
  Dzekan, Daniel; Waske, Anja; Nielsch, Kornelius & Fähler, Sebastian
  
• Lumped Element Model for Thermomagnetic Generators Based on Magnetic SMA Films. Materials, 14(5), 1234.
  Joseph, Joel; Ohtsuka, Makoto; Miki, Hiroyuki & Kohl, Manfred
  
• Thermal processes of miniature thermomagnetic generators in resonant self-actuation mode. iScience, 25(7), 104569.
  Joseph, Joel; Ohtsuka, Makoto; Miki, Hiroyuki & Kohl, Manfred
  
• A Gd‐Film Thermomagnetic Generator in Resonant Self‐Actuation Mode. Advanced Functional Materials, 33(22).
  Joseph, Joel; Fontana, Erika; Devillers, Thibaut; Dempsey, Nora M. & Kohl, Manfred
  
• Integration of Multifunctional Epitaxial (Magnetic) Shape Memory Films in Silicon Microtechnology. Advanced Functional Materials, 33(51).
  Fink, Lukas; Kar, Satyakam; Lünser, Klara; Nielsch, Kornelius; Reith, Heiko & Fähler, Sebastian
  
• Power Generation by Resonant Self-Actuation. Karlsruhe Institute of Technology, 2023
  Joseph, J.
  
• Resonant Self-Actuation Based on Bistable Microswitching. Actuators, 12(6), 245.
  Joseph, Joel; Ohtsuka, Makoto; Miki, Hiroyuki & Kohl, Manfred
  
• Tailoring of thermomagnetic properties in Ni-Mn-Ga films through Cu addition. Journal of Alloys and Compounds, 966(2023, 12), 171435.
  Fink, Lukas; Nielsch, Kornelius & Fähler, Sebastian