Mikro-Energiesammler für das Internet der Dinge

  • 11. October 2018

Leitfähige Polymere lassen sich im flüs­sigen Zustand mit Druckern ver­arbeiten.

Dünne organische Schichten können Maschinen und Geräten neue Funk­tionen ver­leihen. Zum Beispiel ermög­lichen sie winzig kleine Energie­rück­gewinner. Die sollen in Zukunft auf Rohren oder anderen Ober­flächen ange­bracht werden, um bisher ver­geudete Abwärme in Strom umzu­wandeln. Forscher des Fraun­hofer-Instituts für Werk­stoff- und Strahl­technik ver­wenden dafür Tinte auf der Basis von leit­fähigen Poly­meren. Sie haben dafür ein neues Ver­fahren ent­wickelt: Kleine Mole­küle werden zu Poly­meren zusammen­gesetzt, die Elek­tronen trans­por­tieren können. Der Clou besteht darin, dass sich dieses Polymer anders als ver­gleich­bare Poly­mere im flüssigen Zustand befindet. Damit drucken beziehungs­weise sprühen sie sehr dünne und glatte orga­nische Funktions­schichten auf Ober­flächen.

Polymerschicht

Abb.: Eine Glasplatte wurde durch Rota­tions­beschich­tung mit einer besonders glatten und leit­fähigen Polymer­schicht über­zogen. Daneben steht ein Proben­fläsch­chen der Polymer­lösung. (Bild: Fh.- IWS)

„Wir wollen so thermoelektrische Generatoren konstruieren, die zum Beispiel Sensoren an schwer zugäng­lichen Stellen mit Energie ver­sorgen, an denen ein Batterie­wechsel nicht sinn­voll, nicht möglich oder sehr teuer ist“, erklärt Lukas Stepien, der gemeinsam mit Roman Tkachov im Fraun­hofer-IWS dieses Ent­wick­lungs­projekt betreut. Speziell sei an warme Rohre gedacht, die nicht heißer als hundert Grad Celsius werden – bisher ist das die Ober­grenze für die unter­suchten Poly­mere. „Diese Techno­logie wäre aber auch nütz­lich im Internet der Dinge: Sensoren und andere elektro­nische Bau­ele­mente könnten mit thermo­elek­trischen Genera­toren ihren elek­trischen Energie­bedarf selbst decken. Eine Strom­ver­sor­gung von außen wäre dann nicht mehr not­wendig“, so Stepien.

Thermoelektrische Generatoren sind als Konzept zwar schon seit Jahren bekannt. Aller­dings ist ihr Wirkungs­grad für einen massen­haften Einsatz noch immer viel zu gering: Sie wandeln im Schnitt nur sechs Prozent der empfan­genen Wärme­energie in elek­trischen Strom um. „Dass sich diese Technik bis­lang nicht durch­setzen konnte, lag viel­leicht auch an den zu hohen Erwar­tungen der Industrie“, sagt Stepien. „Heutige thermo­elek­trische Genera­toren auf Basis von Poly­meren liefern leider meist nur ein paar Milli­watt.“

Gelänge es, die Ausbeute deutlich zu steigern, könnte das weit­reichende Folgen für die deutschen Energie­bilanzen haben. Auto­her­steller beispiels­weise träumen seit langem davon, ihre Motoren mit solchen thermo­elek­trischen Genera­toren zu beschichten, um die bisher mühsam weg­ge­kühlte Abwärme der Antriebs­maschinen elek­trisch wieder­zu­ver­werten. Der Kraft­stoff­ver­brauch von Autos ließe sich so um bis zu ein Zehntel senken, geht aus Schätzungen hervor. Aller­dings sind die dafür bisher aus­ge­testeten Lösungen wenig effektiv.


Mit der Polymer-Technologie könnte sich das in Zukunft ändern. Einen wichtigen Schritt haben Tkachov und Stepien bereits getan: Sie haben einen Weg gefunden, um Poly­mere vom n-Leitungs­typ zu ver­flüssigen, um sie dann weiter zu ve­rarbeiten. Ein wichtiger Punkt dabei: Ihre Polymer-Schichten bleiben auch danach unter Alltags­bedin­gungen ver­gleichs­weise stabil. Das ist nicht selbst­ver­ständ­lich. Denn solche langen orga­nischen Mole­küle neigten dazu, zu altern und ihre beson­deren Eigen­schaften zu ver­lieren, wenn sie mit Luft in Kontakt kommen.

Um ihre Tinten auf der Basis von leitfähigen Polymeren zu erzeugen, haben Tkachov und Stepien einen mehr­stufigen Prozess erarbeitet. Dabei ver­ändern sie die kurzen Bau­steine für Poly­mere, die Mono­mere, zunächst auf chemischem Weg. Dann werden sie in einer Flüssig­keit gelöst. Wenn sich die Poly­mere zusammen­gefügt haben, kann das flüssige Material ver­arbeitet werden: durch Druck-, Sprüh- oder andere Ver­fahren. „Im Grund­satz waren diese Poly­mere zwar auch bisher schon druck­bar“, betont Stepien. „Aber solange sie fest sind, ist dafür eine Disper­sion, also eine Partikel­mischung, not­wendig.“ Dem­gegen­über erlauben die gelösten Poly­mere quali­tativ sehr hoch­wertige glatte Schicht­auf­bauten, die – abhängig vom Prozess – nur ein Zehntel bis zehn Mikro­meter dick sind.

Das wiederum erlaubt kompaktere und effektivere Bauelemente als die bisher ver­wen­deten Poly­mere. „Perspek­ti­visch sehen wir auch großes Poten­zial für die Konstruk­tion von orga­nischen Transis­toren und Solar­zellen“, sagt Tkachov. Bis dahin sei aber noch einige Forschungs­arbeit zu leisten. Als nächstes konzen­trieren sich die Forscher darauf, die elek­trische Leit­fähig­keit ihrer Poly­mere weiter zu erhöhen. Außer­dem wollen sie erste Proto­typen thermo­elek­trischer Genera­toren aus ihren neuen Materi­alien her­stellen. „Und natür­lich werden wir daran arbeiten müssen, den Wirkungs­grad dieser Genera­toren weiter zu erhöhen“, sagt Tkachov.

Fh.-IWS / RK

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