3D-druckbare thermoelektrische Tinte verwandelt Autoauspuffrohre in Stromgeneratoren

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Ein Forschungsteam des Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Korea hat eine thermoelektrische Tinte entwickelt, mit der sich mithilfe des 3D-Drucks Strom erzeugende Röhren herstellen lassen.

Die Stromerzeugungsröhren bestehen aus Blei (Pb) und Tellur (Te) und könnten die Grundlage für leistungsstarke thermoelektrische Generatoren bilden, die aus der Abwärme von Industrie- oder Autoabgasen Strom erzeugen können.

Die Forscher glauben, dass ihre Entwicklung ein vielversprechendes Mittel zur Verbesserung der Kraftstoffenergieeffizienz darstellt, und nutzen den 3D-Druck als Mittel zur Bewältigung der Herausforderungen, die mit herkömmlichen Methoden zur Herstellung thermoelektrischer Materialien verbunden sind, wie beispielsweise die begrenzte Designflexibilität.

„Durch diese Forschung werden wir in der Lage sein, die von Fabrikschornsteinen erzeugte Wärme, die häufigste Art von Abwärmequelle, effektiv in Elektrizität umzuwandeln“, sagte Professor Jae Sung Son vom Department of Materials Science and Engineering der UNIST.

Der Aufstieg thermoelektrischer Technologien

Der weltweite Energiebedarf ist in jüngster Zeit aufgrund der wachsenden Weltbevölkerung und der Verbesserung des Lebensstandards in Entwicklungsländern erheblich gestiegen. Dem Forschungspapier zufolge werden mehr als 80 Prozent des aktuellen weltweiten Energieverbrauchs durch fossile Brennstoffquellen ermöglicht, während über die Hälfte der von der Natur und vom Menschen geschaffenen Wärmeenergie einfach an die Umgebung abgegeben wird.

Um dieses Problem anzugehen, könnte die thermoelektrische Stromerzeugung eine zuverlässige und umweltfreundlichere Methode zur Abwärmerückgewinnung darstellen. Thermoelektrische Module sollten, so die Forscher, speziell für einzelne Systeme für eine effiziente Wärmeübertragung ausgelegt sein und gleichzeitig ein einfaches System und niedrige Verarbeitungskosten aufweisen. Typische Fertigungsprozesse zur Herstellung solcher Module erfüllen diese Anforderungen jedoch nicht, insbesondere für Abgasrohre.

Diese Erkenntnis veranlasste das UNIST-Team, sich dem 3D-Druck zuzuwenden, auf dessen Grundlage sie erfolgreich thermoelektrische Hochleistungsrohre zur Stromerzeugung entwarfen und produzierten, die für die Integration in verschiedene Wärmesysteme angepasst werden können und geothermische Anpassungen ermöglichen.

3D-Druck thermoelektrischer Stromgeneratoren

Während ihrer Studie nutzte das UNIST-Team ein extrusionsbasiertes 3D-Druckverfahren für PbTe-Materialien und entwarf ein stromerzeugendes thermoelektrisches Rohr mit maßgeschneiderten PbTe-„Beinen“. Anschließend entwickelten sie eine verunreinigungsfreie PbTe-Tinte mit Viskoelastizität, um sie für den 3D-Druck geeignet zu machen, und induzierten durch „elektronische Dotierung“ starke Oberflächenladungen in den Partikeln innerhalb der Tinte.

Die Forscher druckten die PbTe-Tinte in 3D in röhrenähnliche Formen, die dann zu einer autarken, energieerzeugenden thermoelektrischen Röhre zusammengesetzt wurden. Den Forschern zufolge ermöglichten die konkurrenzfähigen thermoelektrischen Eigenschaften und die Druckbarkeit der PbTe-Materialien die Entwicklung von Freiform-3D-gedruckten thermoelektrischen Modulen, die über die Einschränkungen herkömmlicher Strukturen hinausgingen.

Die Röhren zeigten eine hohe thermoelektrische Leistung bei Temperaturen zwischen 400 und 800 Grad Celsius, was dem Temperaturbereich der Abgase eines Autos entspricht. Durch die Röhrenform sammelte der thermoelektrische Generator außerdem effektiver Wärme als ein herkömmlicher quaderförmiger Generator.

Die 3D-gedruckten thermoelektrischen Röhren könnten daher direkt als Abgasrohre genutzt werden, durch die heiße Flüssigkeiten strömen, behauptet das Team, und bilden die Grundlage für einen skelettartigen Entwurf eines leichten, einfachen thermoelektrischen Generatorsystems. Berichten zufolge bietet das Design das „effektivste Mittel zur Wärmeübertragung“ vom Hochtemperatur-Fluidstrom durch ein Rohr zu einem thermoelektrischen Generator, da zwischen der Flüssigkeit und den thermoelektrischen „Beinen“ keine thermisch beständigen Schichten, wie etwa ein Keramiksubstrat, vorhanden sind ein herkömmlicher thermoelektrischer Generator aus Eisenlegierungen.

Das Team ist davon überzeugt, dass sein Ansatz ein großes Potenzial für eine kosteneffiziente Verarbeitung bietet, um hochleistungsfähige, anpassbare thermoelektrische Module zu entwickeln, und um die Technologie zu industrialisieren, wird versucht, das Problem der durch Abgase verursachten Korrosion zu überwinden. Die Entwicklung von Korrosionsschutzbeschichtungstechnologien für thermoelektrische Materialien wird dazu beitragen, dieses Problem zu lösen, und auf diesem Gebiet wird bereits daran gearbeitet.

„Wenn wir die 3D-Drucktechnologie bei der Herstellung thermoelektrischer Materialien einsetzen, werden wir in der Lage sein, die Grenzen herkömmlicher Materialien zu überwinden“, sagte Professor Han Gi Chae von der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der UNIST. „Die neue Technologie zur Bereitstellung viskoelastischer Eigenschaften für 3D-gedruckte Materialien wird in verschiedenen anderen Bereichen eingesetzt.“

Weitere Informationen finden Sie in der Studie mit dem Titel: „Doping-induzierte Viskoelastizität in PbTe thermoelektrischen Tinten für den 3D-Druck von Stromerzeugungsröhren“, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials. Die Studie wurde gemeinsam von J. Lee, S. Choo, H. Ju, J. Hong, S. Eun Yang, F. Kim, D. Hwi Gu, J. Jang, G. Kim, S. Ahn, J. verfasst . Eun Lee, S. You Kim, H. Gi Chae und J. Sung Son.

Verbesserung der Energieeffizienz durch 3D-Druck

3D-Drucktechnologien wurden auch anderswo eingesetzt, um die thermische und elektrische Effizienz einer Reihe von Industriekomponenten zu regulieren und zu verbessern.

So hat der Keramikspezialist CeramTec beispielsweise die Kühlfähigkeit seines neuen, auf die E-Mobilität ausgerichteten Leistungshalbleitermoduls getestet, das in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IISB entwickelt wurde und die Antriebswechselrichter von Elektrofahrzeugen thermisch regulieren soll. Berichten zufolge soll das Modul den doppelten Wärmewiderstand herkömmlicher Wärmemanagementsysteme aufweisen und gleichzeitig eine größere Wärmeübertragungsoberfläche aufweisen.

Unterdessen wurde 3D Systems vom Luft- und Raumfahrtunternehmen Raytheon Technologies und dem CCDC des Army Research Laboratory ausgewählt, um mittels additiver Fertigung topologisch optimierte Wärmetauscher für die US-Armee zu entwickeln. Die Partner werden eine Komponente entwerfen, herstellen und optimieren, die in der Lage ist, die Kühlung und Systemleistung verschiedener Modernisierungsprodukte der Armee zu maximieren.

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Das abgebildete Bild zeigt A) den gesamten Messaufbau und B) den TEG mit Kühler montiert und an die Messelektronik angeschlossen. Bild über UNIST.

Hayley ist Technologiejournalistin für 3DPI und verfügt über Erfahrung in B2B-Publikationen aus den Bereichen Fertigung, Werkzeuge und Radfahren. Als Autorin von Nachrichten und Reportagen interessiert sie sich besonders für neue Technologien, die die Welt, in der wir leben, beeinflussen.