Hochleistungs-Thermoelektrizität auf der Basis von glatten polarisierten Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Steffen Hardt
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490771603

Die in die Atmosphäre abgegebene Abwärme ist eine der größten verfügbaren Quellen für saubere, brennstofffreie und kostengünstige Energie. Die am häufigsten verwendeten Technologien zur Umwandlung von Abwärme in elektrische Energie sind thermoelektrische Festkörpergeneratoren und thermoelektrochemische Zellen auf Flüssigkeitsbasis. Trotz ihrer kontinuierlichen Verbesserung sind sie aufgrund von Materialbeschränkungen, Kosten und schlechten Wirkungsgraden immer noch nicht ausgereift. Eine vielversprechende alternative Methode zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie beruht auf elektrolytgefüllten Nanokanälen: Wenn ein Temperaturgradient entlang des Kanals angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld, das einen elektrischen Strom antreibt. Der Wirkungsgrad solcher Nanofluidik-Bauteile könnte den der besten thermoelektrischen Festkörpermaterialien erreichen, wenn er durch die Gleitlänge auf reibungsarmen Oberflächen verstärkt wird. Eine hohe Leistung erfordert jedoch auch eine hohe Oberflächenladung, die sich nachteilig auf die Gleitlänge auswirkt. In diesem Zusammenhang haben wir kürzlich gezeigt, dass polarisierte Graphenoberflächen eine sehr günstige Kopplung zwischen Ladung und Gleitlänge aufweisen; folglich könnten diese Oberflächen eine hocheffiziente thermoelektrische Umwandlung ermöglichen. Daher ist das erste Ziel des Projekts, besonders vielversprechende Konfigurationen mit hoher Wandlungseffizienz zu identifizieren, indem wir die thermoelektrische Energiewandlung in Graphen-Nanokanälen untersuchen. Ein weiteres Ergebnis unserer Vorstudien ist, dass eine effiziente Energiewandlung vor allem dann erreicht wird, wenn die Variation der Flüssigkeitseigenschaften mit der Temperatur sehr ausgeprägt ist. Dies ist in der Nähe des kritischen Punktes der Flüssigkeit der Fall, und das zweite Ziel des Projekts ist daher die Erforschung des Potenzials der thermoelektrischen Energiewandlung unter solchen transkritischen Bedingungen. Um ein umfassendes Bild der Thermoelektrizität in nanofluidischen Kanälen zu entwickeln, werden wir einen Multiskalenansatz verwenden, der atomistische Simulationen kombiniert, um molekulare Effekte in der nanometrischen Umgebung der Grenzfläche zu erfassen, und kontinuumsmechanische Simulationen, um das gesamte System auf einer größeren Skala zu beschreiben. Insbesondere werden die atomistischen Simulationen Randbedingungen oder Oberflächengleichungen für die Kontinuumsmodelle liefern. Die Ergebnisse dieses Ansatzes werden schließlich mit molekularen Simulationen in Situationen extremen Confinements getestet. Unser Ziel ist es, Konfigurationen mit hoher thermoelektrischer Wandlungseffizienz zu identifizieren, insbesondere Kanäle mit polarisierten Graphenwänden und Regimes nahe dem kritischen Punkt, um theoretische Richtlinien für die Entwicklung künftiger thermoelektrischer Energiewandler zu liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Laurent Joly; Professor Dr. Samy Merabia