Thermomagnetische Generatoren

Beim Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft gewinnt die Rückgewinnung von Abwärme zunehmend 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 Stromautonomie ermöglichen.

Stand der Technik

Um eine 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 insbesondere bei kleinen Baugrößen und geringen Temperaturunterschieden.

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 Miniaturspule ausgestattet ist. Bei Temperaturänderung ändert sich die Magnetisierung der Folie stark und der Ausleger gerät in schnelle Auf- und Abwärtsbewegungen, wobei die resultierende Schwingung der Miniaturspule eine elektrische Spannung induziert. Durch die gezielte Auslegung des Systems, wie etwa Auslegerlänge oder Magnetfeldstärke, lässt sich eine resonante Selbstaktuierung des Systems erzielen. Dadurch schwingt der Ausleger kontinuierlich und erzeugt gleichbleibende elektrische Impulse in der Spule.

Vorteile

TMGs eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen nur geringe Temperaturdifferenzen vorliegen. Der Mechanismus der resonanten Selbstaktuierung ermöglicht eine 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 kompakte Größe und hohe Leistungsdichte (bis zu 50 µW pro cm²) sind attraktiv für die weitere Hochskalierung der Grundfläche und Zahl der Oszillatoren, um eine zuverlässige, autarke Energieversorgung von drahtlosen Sensoren, Kontrollsystemen und Mikroelektronik zu ermöglichen. Das KIT sucht Partner zur Weiterentwicklung und zum Einsatz.