Thermotunneling

Thermotunnelung (engl. thermo tunneling) ist ein neues physikalisches Prinzip für Wärmekraftmaschinen und Wärmepumpen, das auf dem Tunneleffekt basiert und Gemeinsamkeiten mit einem Thermoelement aufweist.

Es ist mit dem Seebeck- bzw. dem Peltier-Effekt vergleichbar. Der geschätzte mögliche Wirkungsgrad zum Kühlen liegt bei rund 55 % des Carnot-Wirkungsgrades. Damit wäre das Verfahren etwas effizienter als eine Wärmepumpe im Kühlschrank oder Hausheizungs-Wärmepumpen. Die bisher hergestellten Prototypen erreichen allerdings nur 5 % Wirkungsgrad.

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Prinzip

Anstatt zwei verschiedene Metalle oder Halbleiter wie bei einem Thermoelement in Kontakt zu bringen, benutzt das Thermotunneling-Verfahren ein Vakuum zwischen den Materialien. Durch das Vakuum sind sie bezüglich der Wärmeleitung gut isoliert, obwohl sie nur rund 7 nm (70 Å) voneinander entfernt sind.

Die Elektronen können über das Vakuum hinweg tunneln. Um dies zu erleichtern, können an den Grenzflächen Mikrostrukturen oder spezielle Dotierungen aufgebracht werden. Die Mikrostrukturen verbieten verschiedene niederenergetische Quantenzustände. Dadurch befinden sich die Elektronen automatisch auf höheren Energieniveaus und tunneln so mit einer größeren Wahrscheinlichkeit über den Spalt.

Grundlegende Probleme

Zwar wird die Wärmeleitung über Gitterschwingungen durch den Vakuumspalt vollständig unterbunden, dieser darf jedoch nur so breit sein, dass einzelne Elektronen über diesen Spalt quantenmechanisch tunneln können.

Auf den ersten Blick scheint diese Unterbrechung der phononischen Wärmeleitung, also der Wärmeleitung über Gitterschwingungen, äußerst effizient zu sein. Bei einer Spaltgröße, welche ein quantenmechanisches Tunneln ermöglicht, sind die elektromagnetischen Kräfte jedoch derart groß, dass eine nahezu ungehinderte Weiterleitung der Gitterschwingungen aufgrund von elektromagnetischer Kopplung stattfindet.

Bei üblichen Temperaturen, bei denen solche Elemente eingesetzt werden sollen, liegen die Wellenlängen der elektromagnetischen Emissionen im Bereich von einigen hundert Nanometern bis hin zu wenigen Mikrometern. Eine effiziente Entkopplung der Gitterschwingungen findet erst dann statt, wenn die Spaltgröße im Bereich der Wellenlängen liegt. Bei diesen Größen ist ein quantenmechanisches Tunneln jedoch praktisch nicht mehr möglich.

Geschichte

Das Verfahren war schon in den 1970er Jahren bekannt. Es wurde damals aber nicht weiter verfolgt, da man die sehr kleinen Abstände zwischen den Metallplatten nicht herstellen konnte.

Momentan wird das Verfahren von den Unternehmen Borealis Exploration Limited und General Electric weiterentwickelt. Borealis entwickelt verschiedene Herstellungsverfahren: Bei einem werden poröse Materialien benutzt, um die Tunnelstrecke zu realisieren. Die Elektronen müssen in diesen Materialien eine mittlere freie Weglänge besitzen, die größer als die Schichtdicke ist, damit die Tunnelwahrscheinlichkeit hoch genug ist. Ein anderes Verfahren nutzt eine „verlorene“ dünne Schicht, zwischen den Kontakten, die nachträglich entfernt wird und einen dünnen Spalt zurücklässt.

Bei General Electric arbeitet man an der aktiven Regelung des Abstandes mit Piezoaktoren, wie sie auch im Tunnelmikroskop verwendet wird. Das Ziel ist die Entwicklung eines Kühl- oder Gefriergerätes, die 2005 aus dem US-amerikanischen Forschungs- und Entwicklungsprogramm Energy Efficient Building Technologies bezuschusst wurde.

Literatur

• Marc D. Ulrich, Peter A. Barnes, Cronin B. Vining: Comparison of solid-state thermionic refrigeration with thermoelectric refrigeration, Journal of Applied Physics, August 2001, Band 90, Nr. 3, S. 1625–1631, Abstract
• Hui Tong Chua, Xiaolin Wang, Jeffrey M. Gordon: Thermionic and tunneling cooling thermodynamics, Applied Physics Letters, 17. Mai 2004, Band 84, Nr 20, S. 3999-4001, Abstract
• Langley Research Center: Thermo-Electron Ballistic Coolers or Heaters. [1]
• Avto Tavkhelidze et al.: Observation of New Quantum Interference Effect in Solids. PDF
• Y. Hishinuma, T. H. Geballe, B. Y. Moyzhes, T. W. Kenny: Refrigeration by combined tunneling and thermionic emission in vacuum: use of nanometer scale design. Applied Physics Letters, 2001 , 78(17): S. 2572-2574
• DEVELOPMENT OF A HIGH-EFFICIENCY SOLID-STATE COOLING CHIP
• Artemy Martinovsky, Avto Tavkhelidze, Isaiah Watas Cox: Thermotunnel converter with spacers between the electrodes., US-Patent Nr. US 6876123 B2, 28. August 2002
• Stanton Earl Weaver Jr.: Waermeuebertragungseinrichtung und Verfahren zu Herstellung und Betrieb derselben., europäisches Patent Nr. EP 1612492 A1, 16. Juni 2005