Thermomagnetische Generatoren

Beim Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft gewinnt die Rückgewinnung von Abwärme an Bedeutung. Eine aussichtsvolle Lösung sind miniaturisierte thermische Energiewandler, die Abwärme in Strom umwandeln. Mit zunehmender Nachfrage nach tragbaren und autonomen Systemen, wie Wearables und Geräten für das Internet der Dinge (IoT), könnte die thermische Energiegewinnung im Miniaturformat deren völlige Stromautonomie ermöglichen.

Stand der Technik

Um eine effiziente Energieumwandlung im kleinen Maßstab zu ermöglichen, hat die Forschung bereits erhebliche Fortschritte bei Material, Design und Skalierung erzielt. Gegenwärtig werden thermoelektrische Generatoren (TEGs) und pyroelektrische Generatoren eingesetzt. TEGs basieren auf dem Seebeck-Effekt, der Strom aus einem Temperaturgefälle in einem Material erzeugt. Pyroelektrische Generatoren hingegen nutzen den pyroelektrischen Effekt, um Strom aus Temperaturänderungen in Materialien mit spontaner Polarisation zu erzeugen. Beide Technologien haben jedoch Einschränkungen in Bezug auf Effizienz und Leistung.

Technologie

Die am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT entwickelten thermomagnetischen Generatoren (TMGs) nutzen dagegen temperaturabhängige magnetische Eigenschaften einer ferromagnetischen Folie, um selbst aus geringen Temperaturdifferenzen Strom zu generieren. Diese Folie ist auf der Spitze eines flexiblen Auslegers aufgebracht, der zusätzlich mit einem Permanentmagneten und einer Mikroaufnahmespule ausgestattet ist. Bei Temperaturänderung ändert sich die Magnetisierung der Folie stark und der Ausleger gerät in schnelle Auf- und Abwärtsbewegungen. Die resultierende Schwingung des Magneten induziert eine elektrische Spannung, die direkt für den Betrieb von Elektronik genutzt werden kann. Durch die gezielte Auslegung des Systems, wie etwa Auslegerlänge oder Magnetfeldstärke, lässt sich eine resonante Selbstaktivierung des Systems erzielen. Dadurch schwingt der Ausleger kontinuierlich und erzeugt fortlaufend elektrische Impulse in der Spule.

Vorteile

TMGs eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen nur geringe Temperaturdifferenzen vorliegen. Der Mechanismus der Selbstaktivierung sorgt für eine sehr effiziente Umwandlung in elektrische Energie. Zudem ermöglicht die kompakte Bauweise die Integration auf engstem Raum. Ohne bewegliche Verschleißteile ist ein wartungsfreier Langzeitbetrieb gewährleistet.

Optionen für Unternehmen

Die Miniaturgröße und die hohe Leistungsdichte (bis zu 50 µW/cm²) machen die TMGs attraktiv für die zuverlässige, autarke Energieversorgung von drahtlosen Sensoren, Kontrollsystemen und Mikroelektronik. Das KIT sucht Partner zur Weiterentwicklung und zum Einsatz.