Die Technologie könnte Fabriken, Fahrzeugen und elektronischen Geräten schließlich dabei helfen, Energie zurückzugewinnen, die derzeit verloren geht.
Fabriken auf der ganzen Welt geben enorme Mengen an Wärme an die Umwelt ab. Stahlöfen, Chemieanlagen, Fahrzeugmotoren und elektronische Geräte erzeugen Temperaturen, die potenziell rückgewinnbare Energie darstellen.
Nun haben Forscher in Japan einen bemerkenswerten Fortschritt vermeldet: ein thermoelektrisches Material, dessen wichtigstes Leistungsmerkmal sich nach der Zugabe einer geringen Menge Titan um etwa das 250-fache verbesserte.
Die Entdeckung, die am 12. Oktober 2026 im Journal of Materials Chemistry A veröffentlicht und am 29. Oktober von der Tohoku University international hervorgehoben wurde, könnte neue Möglichkeiten zur Umwandlung industrieller Abwärme in Strom eröffnen.
Von 1 auf 250 – was hat sich eigentlich verbessert?
Die Wissenschaftler untersuchten Chromnitrid, ein Material, das als extrem dünne Schichten abgeschieden werden kann.
Durch die Zugabe von Titan in Konzentrationen zwischen 4,6 % und 9,3 % der Atome reduzierten sie Defekte in der Kristallstruktur des Materials und verbesserten die Bewegung der Elektronen erheblich.
Die Elektronenmobilität erhöhte sich um etwa zwei Größenordnungen – also etwa um den Faktor 100.
Das resultierende Material erreichte einen thermoelektrischen Leistungsfaktor von 5,26 Mikrowatt pro Zentimeter pro Quadratkelvin, was etwa dem 250-fachen von unbehandeltem Chromnitrid entspricht.
Der Leistungsfaktor misst, wie effektiv ein Material unter vergleichbaren Bedingungen aus einer Temperaturdifferenz elektrische Leistung erzeugen kann.
Wichtig ist, dass dies nicht bedeutet, dass eine Fabrik, die das Material einsetzt, plötzlich 250-mal mehr Strom zurückgewinnen würde. Die Leistung in der Praxis hängt auch vom Wärmefluss, der Geometrie des Bauteils, der Wärmeleitfähigkeit und den Betriebsbedingungen ab.
Dennoch ist die Verbesserung bemerkenswert für ein Material, das ohne die bei vielen Konkurrenztechnologien erforderliche Hochtemperaturverarbeitung hergestellt wird.
Ein funktionierender Generator – aber noch mikroskopisch klein
Das japanische Team ging über Labormessungen hinaus und konstruierte einen kleinen thermoelektrischen Generator auf Glas.
Bei einem Temperaturunterschied von 96 Kelvin – was einer Differenz von 96 Grad Celsius entspricht – erzeugte der Prototyp eine maximale elektrische Leistung von 455,8 Nanowatt.
Das entspricht etwa 0,000000456 Watt.
Zum Vergleich: Eine herkömmliche 10-Watt-LED-Lampe verbraucht mehr als das 20-millionenfache dieser Leistung.
Der Vergleich verdeutlicht sowohl das Potenzial als auch die derzeitigen Grenzen der Technologie. Der Prototyp ist ein winziges Versuchsgerät und kein kommerziell einsetzbarer Industriegenerator.
Die Forscher berichteten außerdem über eine Leistungsdichte von 38 Milliwatt pro Quadratzentimeter, normiert auf die Querschnittsfläche des Dünnfilms – ein Wert, der mit einigen thermoelektrischen Hochleistungsmaterialien vergleichbar ist.
Dieser spezifische Messwert darf nicht als Stromertrag pro Quadratzentimeter Fabrikwand oder solarpanelähnlicher Oberfläche interpretiert werden.
Warum die Herstellung bei Raumtemperatur wichtig ist
Viele fortschrittliche thermoelektrische Materialien benötigen während der Produktion erhöhte Temperaturen, was die Komplexität der Herstellung erhöht und die Substrate einschränkt, auf denen sie abgeschieden werden können.
Der japanische Ansatz nutzt reaktives Sputtern, um Schichten bei annähernd Raumtemperatur zu erzeugen.
Dies macht das Material potenziell geeignet für Elektronik, Glas und andere Oberflächen, die keine extremen Fertigungstemperaturen vertragen.
Es könnte auch Möglichkeiten für Industriesensoren und kleine Geräte bieten, die derzeit auf Batterien angewiesen sind.
Thermoelektrische Generatoren haben einen weiteren Vorteil: Im Gegensatz zu Turbinen oder herkömmlichen Motoren enthalten sie keine beweglichen mechanischen Teile.
Das macht sie attraktiv für Anwendungen, bei denen der Wartungszugang schwierig oder die Zuverlässigkeit kritisch ist.
Wie viel Energie könnte die Industrie zurückgewinnen?
Betrachten wir ein Industriesystem, das 100 Megawatt Abwärme freisetzt.
Wenn eine zukünftige Energierückgewinnungstechnologie nur 5 % dieser Wärme in Strom umwandeln könnte, ergäbe dies 5 Megawatt elektrische Leistung.
Bei kontinuierlichem Betrieb würde dies jährlich etwa 43,8 Gigawattstunden produzieren – genug, um etwa 12.000 Haushalte zu versorgen, die jedes Jahr 3.650 Kilowattstunden verbrauchen.
Dies ist eine illustrative Berechnung und keine Leistungszusage für den Versuchsfilm von Tohoku.
Um eine solche Leistung zu erzielen, wären technische Fortschritte und Demonstrationen in einem Maßstab erforderlich, der weitaus größer ist als der des aktuellen Prototyps.
Die nächste Herausforderung: kommerzieller Maßstab
Die Forscher müssen sich nun mit Herstellungskosten, Haltbarkeit, thermischer Effizienz und der Schwierigkeit befassen, eine große Anzahl mikroskopischer Geräte zu nützlichen Generatoren zu kombinieren.
Ihre Ergebnisse zeigen dennoch, dass eine sorgfältige Modifizierung der Atomstruktur eines Materials Leistungsverbesserungen freisetzen kann, die zuvor als schwer erreichbar galten.
Für energieintensive Volkswirtschaften wie Deutschland, Japan, China und Südkorea könnten Technologien zur Rückgewinnung verschwendeter Industrieenergie letztlich die Betriebskosten und Emissionen senken.
Die 250-fache Verbesserung ist noch keine Energierevolution. Aber sie bietet einen neuen Weg, um einen kleinen Teil der enormen Abwärmeströme der Welt in nützliche Elektrizität zu verwandeln.
