16.03.2026

Wissenschaftler der Technischen Universität Wien haben einen bahnbrechenden thermoelektrischen Generator entwickelt, der Umgebungswärme effizient in elektrischen Strom umwandeln kann. Die Innovation basiert auf sogenannten Kagome-Metallen, deren spezielle atomare Struktur den Fluss von Ladungsträgern so beeinflusst, dass eine nutzbare Spannungsdifferenz entsteht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallen verhindert dieses Gitter ein gegenseitiges Aufheben der Ladungen, wodurch der historische Seebeck-Effekt erstmals effektiv für die Energiegewinnung in metallischen Materialien genutzt werden kann. Diese Technologie arbeitet ohne bewegliche Teile, ist wartungsfrei und erreicht bereits bei Raumtemperatur eine hohe Effizienz. Das Potenzial reicht von der Nutzung industrieller Abwärme bis hin zur autarken Stromversorgung in privaten Haushalten. Damit bietet die Entdeckung eine kostengünstige und nachhaltige Möglichkeit, ungenutzte Energiepotenziale systematisch auszuschöpfen.

Grundlagen der Thermoelektrik.

Eine detaillierte Analyse der thermoelektrischen Generatoren (TEGs), ihrer physikalischen Grundlagen, aktueller Forschungsergebnisse und vielfältiger Anwendungsbereiche.

Der Seebeck-Effekt.

Das Herzstück der thermoelektrischen Technologie ist der Seebeck-Effekt, der 1821 von Thomas Johann Seebeck entdeckt wurde. Dieser Effekt beschreibt die Entstehung einer elektrischen Spannung, wenn zwischen zwei verschiedenen elektrischen Leitern oder Halbleitern eine Temperaturdifferenz besteht.

Physikalisch betrachtet bewegen sich Ladungsträger (Elektronen oder "Löcher") auf der heissen Seite eines Materials aufgrund der höheren kinetischen Energie schneller als auf der kalten Seite. Dies führt zu einer Diffusion der Ladungsträger in Richtung der kalten Seite, wodurch eine Ladungstrennung und somit eine messbare Spannung entsteht.

Aufbau eines TEG-Moduls.

Ein typischer thermoelektrischer Generator besteht aus p- und n-dotierten Halbleitermaterialien:

• N-Typ-Halbleiter besitzen einen Überschuss an Elektronen (negative Ladungsträger).
• P-Typ-Halbleiter weisen einen Mangel an Elektronen auf, was als "Löcher" (positive Ladungsträger) bezeichnet wird.

Diese Materialien werden in kleinen Säulen angeordnet, thermisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet, oft eingebettet zwischen zwei isolierenden, aber wärmeleitenden Keramikplatten.

Illustration © stromzeit.ch*

Effizienz und Materialeigenschaften.

Die Effizienz eines thermoelektrischen Materials wird durch die dimensionslose Kennzahl ZT (Figure of Merit) bestimmt. Ein hoher ZT-Wert erfordert drei spezifische Eigenschaften:

• Einen hohen Seebeck-Koeffizienten (grosse Spannung pro Grad Temperaturunterschied).
• Eine hohe elektrische Leitfähigkeit (um Stromverluste zu minimieren).
• Eine geringe thermische Leitfähigkeit (um den Temperaturunterschied zwischen heisser und kalter Seite aufrechtzuerhalten).

Gängige Materialien sind Wismut-Tellurid (für niedrige Temperaturen), Bleitellurid (mittlere Temperaturen) und Silizium-Germanium (für hohe Temperaturen). Die typische Effizienz heutiger TEGs liegt jedoch oft nur bei 5 % bis 8 %.

Aktuelle Forschungsdurchbrüche und Innovationen.

Der 15-fache Effizienzsprung (Rochester University). Ein Forschungsteam aus Rochester hat einen solarthermischen Generator (STG) entwickelt, der durch drei wesentliche Anpassungen eine 15-fache Effizienzsteigerung gegenüber Vorgängermodellen erzielt:

• Black Metal (Wolfram): Die heisse Seite nutzt Wolfram, das durch Femtosekunden-Laser mit Nanostrukturen (Hügeln und Tälern) versehen wurde. Diese Strukturen fangen das Sonnenlicht besser ein und unterdrücken die Wärmeabstrahlung.
• Mini-Gewächshaus-Effekt: Um Wärmeverluste durch Konvektion zu verhindern, wurde die Absorberschicht in eine Plastikhülle eingepackt, die die Luft einschliesst.
• Verbesserte Kühlung: Die kalte Seite besteht aus einer laserbehandelten Aluminiumschicht, deren Kühlleistung durch Nanostrukturen fast verdoppelt wurde.

Strom aus Dunkelheit (Stanford University).

Forscher in Stanford nutzen das Prinzip der Strahlungskühlung, um Solarmodule nachts zur Stromerzeugung zu verwenden. Da der Weltraum eine perfekte Wärmesenke darstellt, kühlt sich ein Solarmodul nachts über das "atmosphärische Fenster" (8–13 µm) unter die Umgebungstemperatur ab. Ein angekoppelter TEG nutzt diese Differenz zur Umgebungsluft, um bis zu 2,2 W pro m² (theoretisch bis zu 6,5 W/m²) zu erzeugen.

Kagome-Metalle (TU Wien).

Ein Durchbruch in Wien ermöglicht die Nutzung von Metallen für TEGs, was bisher aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit von Metallen ineffizient war. Durch eine spezielle Gitterstruktur, das Kagome-Gitter, wird ein "Ladungsträgerstau" erzeugt. In einer Nickel-Indium-Verbindung fliessen Elektronen fast widerstandsfrei, während positive Ladungsträger festgehalten werden, was eine hohe Spannung auch bei Raumtemperatur ermöglicht.

Gedruckte TEGs (KIT Karlsruhe).

Um die hohen Herstellungskosten zu senken, erforscht das KIT Drucktechnologien für TEGs. Dabei werden spezielle Tinten aus thermoelektrischen Materialien mittels Siebdruck auf flexible Folien aufgebracht. Dies ermöglicht eine kostengünstige Massenproduktion "wie bei einer Zeitung".

Anwendungsgebiete.

Raumfahrt.

In der Raumfahrt werden Radioisotopen-Thermoelektrikgeneratoren (RTGs) eingesetzt. Sie nutzen die Zerfallswärme von Plutonium-238, um Sonden wie Voyager 1 und 2 über Jahrzehnte hinweg wartungsfrei mit Strom zu versorgen.

Industrie und Automobil.

TEGs können Abwärme aus industriellen Prozessen oder Abgassystemen von Autos direkt in Strom umwandeln. Im Automobilbereich könnte dies die Last auf die Lichtmaschine verringern und den Kraftstoffverbrauch um bis zu 10 % bis 16 % senken.

Alltag und Off-Grid.

• Sensoren: Betrieb von autarken Wettersensoren oder Smartwatches durch Körperwärme oder Umweltwärme.
• Outdoor: Campingkocher, die aus der Hitze des Feuers Strom zum Laden von Handys erzeugen.
• Insektenstichheiler: Lokale Wärmebehandlung zur Linderung von Juckreiz, basierend auf denselben thermischen Prinzipien.
  
  

Vorteile und Herausforderungen.

Vorteile:

• Keine beweglichen Teile, dadurch geräuschlos und wartungsfrei.
• Hohe Zuverlässigkeit und extrem lange Lebensdauer.
• Skalierbarkeit von kleinsten Sensoren bis hin zu grossen industriellen Systemen.

Herausforderungen:

• Geringe Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Generatoren oder Photovoltaik.
• Hohe Materialkosten für seltene Elemente wie Tellur.
• Notwendigkeit eines effizienten Thermomanagements, um den Temperaturgradienten stabil zu halten.

Da der Seebeck-Effekt ein reiner Festkörpereffekt ist, benötigen darauf basierende Geräte keine Flüssigkeiten, Gase oder mechanischen Verschleissteile. Dies macht die Technologie extrem robust, geräuschlos und wartungsfrei. Aus diesem Grund ist der Seebeck-Effekt die Basis für:

• Raumfahrtmissionen: Radioisotopen-Thermoelektrikgeneratoren (RTGs) nutzen die Zerfallswärme von Plutonium, um Sonden wie Voyager oder Mars-Rover über Jahrzehnte hinweg zuverlässig zu betreiben.
• Industrielle Abwärmenutzung: TEGs können „verlorene“ Wärme aus Fabriken, Kraftwerken oder Fahrzeugauspuffen direkt in Strom zurückverwandeln.
• Autarke Kleingeräte: Von Körperwärme betriebene Smartwatches bis hin zu Campingkochern, die während des Kochens Smartphones laden, beruhen alle auf diesem Prinzip. 

Thermoelektrische Generatoren sind eine Schlüsseltechnologie zur Rückgewinnung ungenutzter Energie. Während sie PV-Anlagen kurzfristig nicht ersetzen werden, bieten sie insbesondere in Nischenanwendungen und durch neue Materialinnovationen wie Kagome-Metalle oder laserstrukturierte Absorber ein enormes Potenzial für eine nachhaltigere Energiezukunft.

Wie beeinflussen Nanostrukturen die Effizienz von thermoelektrischen Materialien?

Nanostrukturen spielen eine entscheidende Rolle bei der Steigerung der Effizienz thermoelektrischer Generatoren (TEGs), da sie sowohl die thermischen als auch die optischen Eigenschaften der Materialien auf atomarer und mikroskopischer Ebene optimieren:

• Senkung der thermischen Leitfähigkeit: Eine der grössten Herausforderungen ist es, Materialien zu finden, die Strom gut leiten, aber Wärme schlecht. Nanotechnologie ermöglicht es, die thermische Leitfähigkeit zu senken, ohne die elektrischen Eigenschaften des Materials zu beeinträchtigen. Dies wird durch die Integration von Nanopartikeln, Nanodrähten oder speziellen Grenzflächen erreicht, welche die Ausbreitung von Wärme (Phononen) stören.
• Maximierung der Lichtabsorption (Heisse Seite): In der Forschung an der Universität Rochester werden Femtosekunden-Laser eingesetzt, um auf Metallen wie Wolfram (sogenanntes "Black Metal") spezifische Nanostrukturen in Form von mikroskopischen Hügeln und Tälern zu erzeugen. Diese Strukturen wirken wie eine Falle für einfallendes Licht, wodurch die Reflexion massiv verringert und die Absorption der Sonnenenergie optimiert wird.
• Unterdrückung von Wärmeverlusten: Diese lasererzeugten Nanostrukturen sorgen nicht nur für eine bessere Aufnahme von Energie, sondern verhindern auch, dass das erhitzte Material die Wärme durch Strahlung wieder an die Umgebung verliert.
• Verbesserte Kühlleistung (Kalte Seite): Auch auf der kalten Seite des Generators (z. B. auf Aluminiumschichten) werden Nanostrukturen genutzt, um die Wärmeabgabe an die Umgebung zu beschleunigen. Durch diese Oberflächenoptimierung konnte die Kühlleistung im Vergleich zu herkömmlichen Ableitern fast verdoppelt werden.
• Erhöhung des Seebeck-Koeffizienten: Die Forschung konzentriert sich darauf, durch die Manipulation von Nanostrukturen den Seebeck-Koeffizienten zu vergrössern. Dies führt dazu, dass pro Grad Temperaturunterschied eine höhere elektrische Spannung erzeugt werden kann.

Insgesamt ermöglichte der gezielte Einsatz dieser Nanostrukturen in experimentellen Setups, wie dem solarthermischen Generator in Rochester, eine 15-fache Steigerung der Effizienz gegenüber früheren Modellen.

Wie funktionieren Kagome-Metalle und warum revolutionieren sie die Stromerzeugung?

Kagome-Metalle stellen einen Paradigmenwechsel in der Thermoelektrik dar, da sie die physikalischen Einschränkungen herkömmlicher Metalle bei der Stromerzeugung überwinden. Forscher der TU Wien haben mit diesen Materialien einen Durchbruch erzielt, der es ermöglicht, Umgebungswärme effizienter in elektrische Energie umzuwandeln.

Funktionsweise der Kagome-Metalle.

Die Besonderheit dieser Metalle liegt in ihrer atomaren Gitterstruktur, dem sogenannten Kagome-Gitter:

• Struktur: Das Gitter ist nach einem traditionellen japanischen Flechtmuster für Bambuskörbe benannt und besteht aus einer zweidimensionalen Anordnung von Dreiecken und Sechsecken. Die Atome sind dabei in einer Sternform angeordnet.
• Ladungsträgerstau: In normalen Metallen bewegen sich positive und negative Ladungsträger bei einem Temperaturunterschied ähnlich schnell, wodurch sie sich gegenseitig fast vollständig aufheben und kaum nutzbare Spannung entsteht. Die Kagome-Struktur erzwingt jedoch einen asymmetrischen Ladungstransport.
• Autobahn-Analogie: Professor Andrej Pustogow vergleicht dies mit einer zweispurigen Autobahn: Während die negativen Ladungen auf einer Spur ungehindert fliessen können, wird auf der Spur der positiven Ladungsträger ein „Stau“ erzeugt. Bestimmte Ladungen werden im Gitter lokalisiert und „eingesperrt“, während andere fast widerstandsfrei fliessen.

Warum sie die Stromerzeugung revolutionieren.

Kagome-Metalle lösen mehrere Kernprobleme bisheriger thermoelektrischer Generatoren (TEGs):

1. Effizienz bei Raumtemperatur: Im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Halbleitermaterialien, die oft sehr hohe Temperaturen benötigen, erreichen Kagome-Metalle ihre hohe Effizienz bereits im Bereich von 0 bis 27 °C (273 bis 300 Kelvin). Dies macht sie ideal für die Nutzung von alltäglicher Umgebungswärme.
2. Kostengünstige Materialien: Während frühere effiziente Metall-Legierungen teures Gold benötigten, nutzt die neue Entwicklung der TU Wien eine Verbindung aus Nickel und Indium, was die Herstellung deutlich preiswerter macht.
3. Strom zum „Nulltarif“: Da diese Metalle überschüssige Wärme, die sonst ungenutzt verpuffen würde (z. B. in der Industrie oder an Abgassystemen), direkt in Strom umwandeln können, ermöglichen sie eine passive Energiegewinnung ohne zusätzliche Brennstoffkosten.
4. Wartungsfreiheit: Wie alle TEGs arbeiten auch Generatoren auf Basis von Kagome-Metallen ohne bewegliche Teile und sind somit praktisch verschleiss- und wartungsfrei.

Diese Kombination aus hoher Effizienz bei niedrigen Temperaturen, geringen Materialkosten und extremer Zuverlässigkeit könnte dazu führen, dass thermoelektrische Generatoren in Zukunft in weitaus mehr Alltagsanwendungen – von tragbaren Geräten bis hin zu industriellen Anlagen – zum Einsatz kommen.

Was sind die Vorteile von Kagome-Metallen gegenüber klassischen Halbleitern?

Kagome-Metalle bieten gegenüber klassischen Halbleitern in der Thermoelektrik mehrere entscheidende Vorteile, die sie zu einer potenziell revolutionären Technologie machen:

• Effizienz bei Raumtemperatur: Während viele klassische Halbleitermaterialien erst bei hohen Temperaturen effizient arbeiten, erreichen Kagome-Metalle ihre hohe Leistungsfähigkeit bereits im Bereich von 0 bis 27 °C (273 bis 300 Kelvin). Dies macht sie besonders attraktiv für alltägliche Anwendungen und die Nutzung von Umgebungswärme.
• Überwindung physikalischer Grenzen von Metallen: In normalen Metallen bewegen sich positive und negative Ladungsträger bei Temperaturunterschieden ähnlich schnell, wodurch sie sich gegenseitig aufheben und kaum Spannung erzeugen. Kagome-Metalle nutzen ihre spezielle Gitterstruktur, um einen „Ladungsträgerstau“ für positive Ladungen zu erzeugen, während negative Ladungen ungehindert fliessen können. Dies ermöglicht einen asymmetrischen Ladungstransport, wie man ihn sonst nur von Halbleitern kennt, aber innerhalb eines metallischen Materials.
• Kostengünstige Materialien: Viele effiziente thermoelektrische Halbleiter basieren auf seltenen oder teuren Elementen wie Tellur oder Wismut. Die an der TU Wien erforschten Kagome-Metalle nutzen hingegen eine Verbindung aus Nickel und Indium, die deutlich preiswerter ist als bisherige metallische Alternativen, die oft Gold benötigten.
• Fortschritt nach langer Stagnation: In den Quellen wird darauf hingewiesen, dass es in der Forschung an halbleitenden Materialien seit den 1950er Jahren keine signifikanten Fortschritte mehr gab, die zu einer breiten alltäglichen Anwendung geführt hätten. Die Entwicklung der Kagome-Metalle wird daher als ein „grosser Schritt vorwärts“ und ein Paradigmenwechsel für die Thermoelektrik beschrieben.

Kagome-Metalle ermöglichen es, die Vorteile metallischer Leitfähigkeit mit der für die Stromerzeugung notwendigen Asymmetrie von Halbleitern zu kombinieren, und das bei deutlich niedrigeren Kosten und höherer Effizienz im Alltagstemperaturbereich.

Welche Rolle spielt die asymmetrische Ladungsbewegung bei Kagome-Metallen?

Die asymmetrische Ladungsbewegung ist der entscheidende Mechanismus, der Kagome-Metalle von herkömmlichen Metallen unterscheidet und sie für die Stromerzeugung hocheffizient macht. In herkömmlichen Metallen heben sich die Effekte der Ladungsträgerbewegung bei Temperaturunterschieden meist gegenseitig auf, während Kagome-Metalle diesen Prozess gezielt manipulieren.

Asymmetrischen Ladungsbewegung:

• Überwindung der Symmetrie in Normalmetallen: In gewöhnlichen Metallen bewegen sich sowohl die negativen Ladungsträger (Elektronen) als auch die positiven Ladungsträger bei einem Temperaturgefälle in die gleiche Richtung und zudem mit einer ähnlich hohen Geschwindigkeit. Da sich die positiven und negativen Ladungen somit fast vollständig ausgleichen, entsteht kaum eine nutzbare elektrische Spannung.
• Erzeugung eines „Ladungsträgerstaus“: Die spezielle atomare Gitterstruktur der Kagome-Metalle (angeordnet in einem Muster aus Dreiecken und Sechsecken) wirkt auf die Ladungsträger wie ein Filter. Die asymmetrische Bewegung wird dadurch erreicht, dass eine Sorte von Ladungsträgern gezielt verlangsamt oder „festgehalten“ wird.
• Die Autobahn-Analogie: Professor Andrej Pustogow von der TU Wien vergleicht dies mit einer zweispurigen Autobahn:
• •  Auf der einen Spur (für negative Ladungen) fliessen die Teilchen nahezu ohne Widerstand.
  • Auf der anderen Spur (für positive Ladungen) wird durch die Gitterstruktur ein „Stau“ erzeugt, wodurch diese Ladungsträger lokalisiert und „eingesperrt“ werden.
• Resultat: Hohe elektrische Spannung: Durch diese künstlich herbeigeführte Asymmetrie gleichen sich die Ladungen nicht mehr aus. Es entsteht eine deutliche Spannungsdifferenz, die zur Stromgewinnung genutzt werden kann.

Dies führt zu einem Paradigmenwechsel in der Thermoelektrik, da man nun die hohe elektrische Leitfähigkeit von Metallen nutzen kann, ohne den Nachteil des Ladungsausgleichs in Kauf nehmen zu müssen. Besonders bedeutsam ist, dass diese asymmetrische Bewegung bereits bei Raumtemperatur (0 bis 27 °C) so effektiv funktioniert, dass Kagome-Metalle mit herkömmlichen Halbleitern konkurrieren können.

Wie steht es um die Marktreife dieser neuen Metall-Technologie?

Die Technologie der Kagome-Metalle ist aktuell noch nicht marktreif, obwohl sie als Durchbruch mit gewaltiger Praxisrelevanz eingestuft wird.

Status zur Marktreife und weitere Aussichten:

• Aktueller Forschungsstatus: Professor Andrej Pustogow von der TU Wien betont explizit, dass es sich um aktive Forschung handelt, die noch grosse Hürden und Hindernisse zu überwinden hat. Es ist also kein fertiges Produkt, das man bereits erwerben kann.
• Wettbewerbsfähigkeit: Trotz der fehlenden Marktreife wird hervorgehoben, dass die Technologie bereits jetzt mit konventionellen thermoelektrischen Generatoren konkurrieren kann. Die Forscher vergleichen ihren Fund sogar mit einer „Goldgrube“, da das System bestehende Alternativen „haushoch übertreffen“ könnte.
• Voraussetzungen für den Praxisbetrieb: Da der Kagome-Generator bereits im Bereich von 0 bis 27 °C (Raumtemperatur) effizient arbeitet, steht einem künftigen Praxisbetrieb laut den Quellen „tatsächlich nicht mehr viel im Wege“.
• Potenzielle Einsatzfelder: Sobald die Marktreife erreicht ist, könnten diese Generatoren passiv Strom in Industrieanlagen, Kaminschächten oder im Auspuff von Autos liefern, um bisher ungenutzte Abwärme zu verwerten.

Einordnung im Vergleich zu anderen neuen TEG-Technologien: Andere Ansätze in der Thermoelektrik befinden sich in ähnlichen oder leicht fortgeschritteneren Stadien:

• Gedruckte TEGs (KIT): Hier wird bereits über eine Firmenausgründung innerhalb der nächsten ein bis zwei Jahre nachgedacht, wobei erste Gespräche mit Investoren laufen.
• Solarthermische Generatoren (Rochester): Diese wurden bisher nur im Labormassstab getestet und reichen aktuell nur aus, um kleine Geräte wie Smartwatches oder Sensoren zu betreiben.
• Nacht-Solarzellen (Stanford): Diese Technologie ist ebenfalls noch nicht für den Massenmarkt bereit; aktuell können lediglich Bastler von den öffentlich zugänglichen Forschungsergebnissen profitieren, allerdings noch nicht wirtschaftlich.

Kagome-Technologie ist zwar ein Paradigmenwechsel, der den europäischen Energiesektor stärken könnte, die kommerzielle Umsetzung jedoch noch Zeit und weitere Entwicklung benötigt.

Was unterscheidet diese Neuentwicklung von herkömmlicher Thermoelektrik seit den 1950ern?

Die Neuentwicklungen im Bereich der thermoelektrischen Generatoren (TEGs) unterscheiden sich von der herkömmlichen Technik, die seit den 1950er Jahren weitgehend stagnierte, vor allem durch neuartige Materialkonzepte, effizienteres Thermomanagement und kostengünstigere Herstellungsverfahren.

Paradigmenwechsel bei den Materialien: Kagome-Metalle.

Seit den 1950er Jahren basierte die Thermoelektrik fast ausschliesslich auf Halbleitermaterialien wie Wismut-Tellurid oder Silizium-Germanium. In der Forschung an diesen Materialien gab es über Jahrzehnte keine signifikanten Fortschritte, die zu einer breiten alltäglichen Anwendung führten:

• Der Durchbruch: Forscher der TU Wien nutzen nun Kagome-Metalle (z. B. eine Nickel-Indium-Verbindung).
• Funktionsweise: Während sich in normalen Metallen positive und negative Ladungsträger gegenseitig aufheben, erzeugt die spezielle Gitterstruktur der Kagome-Metalle einen „Ladungsträgerstau“ für positive Ladungen. Dadurch fliesst der Strom asymmetrisch, was eine hohe Spannung ermöglicht – ein Verhalten, das bisher nur bei Halbleitern nutzbar war.
• Temperaturbereich: Im Gegensatz zu vielen klassischen Materialien, die oft hohe Temperaturen benötigen, arbeiten Kagome-Metalle bereits bei Raumtemperatur (0 bis 27 °C) hocheffizient.

Maximierung des Temperaturunterschieds (Rochester-Ansatz).

Anstatt nur nach neuen Materialien zu suchen, konzentrieren sich aktuelle Neuentwicklungen wie die der University of Rochester darauf, die physikalische Differenz zwischen heisser und kalter Seite extrem zu vergrössern:

• Black Metal: Durch Femtosekunden-Laser wird Wolfram mit Nanostrukturen versehen, was die Absorption des Sonnenlichts massiv verbessert und die Wärmeabstrahlung unterdrückt.
• Mini-Gewächshaus: Um Wärmeverluste durch Luftbewegung (Konvektion) zu verhindern, wird die heisse Seite isoliert, wodurch Temperaturen von bis zu 120 °C erreicht werden können.
• Ergebnis: Diese strukturellen Anpassungen führten zu einer 15-fachen Effizienzsteigerung gegenüber herkömmlichen Modellen.

Abkehr von teurer Handarbeit: Druckbare TEGs.

Ein grosses Hindernis der herkömmlichen TEGs war seit den 1950ern ihr komplexer, mühseliger Aufbau: Die einzelnen Halbleiterschenkel mussten oft von Hand zusammengebaut werden, was die Kosten extrem hoch trieb:

• Drucktechnologie: Am KIT in Karlsruhe werden TEGs nun mit Druckverfahren (z. B. Siebdruck) hergestellt.
• Vorteil: Dies ermöglicht eine kostengünstige Massenproduktion auf flexiblen Folien, ähnlich dem Druck von Zeitungen, was die Technologie erstmals für den breiten Massenmarkt wirtschaftlich machen könnte.

Neue Einsatzfelder: Nacht-Solar und Abwärme.

Klassische TEGs wurden primär in Nischen wie der Raumfahrt (Voyager-Sonden) eingesetzt. Neuentwicklungen erweitern das Spektrum:

• Nutzung der Dunkelheit: In Stanford wurde ein System entwickelt, das Solarmodule nachts durch Strahlungskühlung zur Stromerzeugung nutzt, indem es die Temperaturdifferenz zum Weltraum ausbeutet.
• Industrielle Integration: Moderne TEGs werden gezielt entwickelt, um Abwärme in Automobilen (Reduzierung des Verbrauchs um bis zu 16 %) oder industriellen Prozessen ohne bewegliche Teile passiv rückzugewinnen.

Welche Rolle spielen die Kagome-Gitter in der modernen Quantenphysik?

In der modernen Quantenphysik und Materialwissenschaft nehmen Kagome-Gitter eine Schlüsselrolle ein, da sie durch ihre einzigartige Geometrie das Verhalten von Ladungsträgern auf atomarer Ebene grundlegend verändern. Ihre Bedeutung lässt sich wie folgt strukturieren:

Geometrischer Ursprung und Aufbau.

Ein Kagome-Metall ist ein kristallines Material mit einer speziellen atomaren Gitterstruktur:

• Namensgebung: Das Muster ist nach einem traditionellen japanischen Flechtmuster für Bambuskörbe benannt.
• Struktur: Es handelt sich um eine zweidimensionale Anordnung aus Dreiecken und Sechsecken, bei der die Atome in einer markanten Sternform angeordnet sind.

Quantenphysikalische Mechanismen.

Auf atomarer Ebene entfaltet dieses spezifische Muster Wirkungen, die in herkömmlichen Metallen so nicht vorkommen:

• Asymmetrischer Ladungstransport: Die wichtigste Eigenschaft ist die Fähigkeit, positive und negative Ladungsträger mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fliessen zu lassen. In normalen Metallen bewegen sich beide Ladungsträgerarten ähnlich schnell, was eine effiziente thermoelektrische Nutzung verhindert, da sich ihre Effekte gegenseitig aufheben.
• Ladungsträgerstau: Das Kagome-Gitter wirkt wie ein Filter oder eine zweispurige Autobahn. Während eine Art von Ladungsträgern (z. B. negative Elektronen) fast widerstandsfrei fliessen kann, wird auf der anderen „Spur“ für die positiven Ladungen ein Stau erzeugt.
• Lokalisierung: Bestimmte Ladungen werden durch die Gittergeometrie nahezu lokalisiert und eingesperrt. Dies bricht die natürliche Symmetrie des Ladungsflusses in Metallen auf.

Paradigmenwechsel in der Anwendung.

Die Entdeckung dieser Effekte in Kagome-Metallen wird als Paradigmenwechsel bezeichnet, da sie metallische Eigenschaften mit dem Verhalten von Halbleitern kombinieren:

• Raumtemperatur-Effizienz: Im Gegensatz zu vielen klassischen thermoelektrischen Materialien erreichen Kagome-Strukturen (wie die Verbindung aus Nickel und Indium) ihre hohe Effizienz bereits bei Raumtemperatur (ca. 0 bis 27 °C bzw. 273 bis 300 Kelvin).
• Materialvorteile: Durch die Nutzung der Kagome-Struktur können Forscher auf teure Edelmetalle wie Gold verzichten und stattdessen günstigere Kombinationen verwenden, was die wirtschaftliche Relevanz massiv erhöht.
• Überwindung der Stagnation: Während die Forschung an Halbleitern seit den 1950er Jahren keine massiven Durchsprünge für Alltagsanwendungen verzeichnete, ermöglichen Kagome-Gitter nun einen „grossen Schritt vorwärts“ in der direkten Umwandlung von Wärme in Strom.

Kagome-Gitter ermöglichen es in der modernen Physik, die gezielte Manipulation von Quantenzuständen und Teilchenbewegungen allein durch die strukturelle Anordnung der Atome, was völlig neue Wege für die energieeffiziente Stromerzeugung aus Umgebungswärme eröffnet.

Können Kagome-Metalle in flexiblen oder gedruckten Generatoren verwendet werden?

Kagome-Metalle könnten aktuell bereits in gedruckten oder flexiblen Generatoren eingesetzt werden, so beschreiben beide Konzepte zukunftsweisende Innovationen in der Thermoelektrik.

• Kagome-Metalle (TU Wien): Diese werden als kristalline Legierungen (wie Nickel-Indium) beschrieben, die eine sternförmige Gitterstruktur auf atomarer Ebene besitzen. Ihr Hauptvorteil ist die hohe Effizienz bei Raumtemperatur (0 bis 27 °C), was für den Einsatz in Alltagsgeräten ideal ist. Die Forscher betonen jedoch, dass sich diese Technologie noch in der aktiven Forschung befindet und noch nicht marktreif ist.
• Gedruckte Generatoren (KIT Karlsruhe): Das KIT verfolgt einen anderen technologischen Ansatz, um die Kosten zu senken. Hier werden thermoelektrische Materialien mithilfe spezieller Tinten im Siebdruckverfahren auf flexible Kunststofffolien aufgebracht. Das Ziel ist eine Massenproduktion „wie bei einer Zeitung“. Die Quellen nennen hierfür jedoch vor allem Polymere oder organische Halbleiter als Materialbasis für die Flexibilität.
• Flexible Generatoren für Wearables: Es wird allgemein an flexiblen thermoelektrischen Generatoren für tragbare Elektronik geforscht. Diese sollen Körperwärme nutzen und können durch additive Fertigungsverfahren oder thermisches Spritzen hergestellt werden. Ein Beispiel nutzt eine n-Typ-Silber-Verbindung auf einer Nylon-Membran.

Während Kagome-Metalle die Effizienz von metallischen Generatoren revolutionieren könnten, liegt der Fokus bei flexiblen und gedruckten Generatoren momentan auf der kostengünstigen Verarbeitung spezieller Tinten und Polymere auf Folien. Ob Kagome-Metalle zukünftig in solche Druckverfahren integriert werden können, ist Gegenstand der laufenden Forschung.

Können Kagome-Metalle auch in die Kleidung eingewebt werden?

Obwohl die Quellen kein bereits existierendes Kleidungsstück mit eingewebten Kagome-Metallen nennen, wird die Vision von flexiblen thermoelektrischen Generatoren (TEGs), die in Kleidung integriert werden können, in der Forschung aktiv verfolgt.

Stand der Forschung zu diesem Thema:

• Ideale Voraussetzungen: Kagome-Metalle (wie die Nickel-Indium-Verbindung) zeichnen sich dadurch aus, dass sie ihre hohe Effizienz bereits bei Raumtemperatur (0 bis 27 °C) erreichen. Dies macht sie theoretisch zu perfekten Kandidaten für Wearables, die Energie aus der menschlichen Körperwärme gewinnen sollen.
• Allgemeine Forschung zu "Power-Kleidung": In der modernen Materialwissenschaft wird bereits an TEGs gearbeitet, die so flexibel sind, dass sie sich der Form eines Motors anpassen oder in Kleidung eingewebt werden können. Es gibt bereits Prototypen, bei denen anorganische thermoelektrische Materialien (wie Silber-Verbindungen) auf Nylon-Membranen aufgebracht werden, um Energie direkt vom Körper zu ernten.
• Herausforderungen der Marktreife: Die spezifische Forschung an Kagome-Metallen befindet sich derzeit noch in einem Stadium, das als nicht marktreif beschrieben wird. Es handelt sich um aktive Forschung an kristallinen Gitterstrukturen, die noch grosse Hürden überwinden muss, bevor sie in Massenprodukten wie Textilien eingesetzt werden kann.
• Alternative Herstellungsverfahren: Um Flexibilität zu erreichen, untersuchen andere Forschungsteams (wie am KIT) das Drucken von TEGs auf flexible Kunststofffolien mittels Siebdruck. Solche gedruckten oder durch additive Fertigung hergestellten Generatoren könnten in Zukunft mit neuartigen Materialien wie Kagome-Strukturen kombiniert werden, um tragbare "Selbstversorger-Elektronik" zu ermöglichen.

Die physikalischen Eigenschaften von Kagome-Metallen passen hervorragend zur Nutzung in Kleidung (Körperwärme-Nutzung), aber die technologische Umsetzung des "Einwebens" dieser speziellen Metallstrukturen ist ein zukünftiges Forschungsziel und noch kein aktuelles Marktprodukt.

Warum nutzt die Forschung in Rochester ausgerechnet laserstrukturiertes Wolfram?

Die Forschungsgruppe an der Universität von Rochester nutzt für ihre hocheffizienten solarthermischen Generatoren (STG) laserstrukturiertes Wolfram (Wolfram), da dieses Material eine Kombination aus extremer Hitzebeständigkeit und idealen optischen Eigenschaften bietet.

Spezifische Gründe für die Wahl dieses Materials und die Art der Bearbeitung:

• Ideale Absorption des Sonnenspektrums: Wolfram nimmt genau den Lichtwellenbereich auf, der für die Energieerzeugung benötigt wird (zwischen 300 und 2500 Nanometer). Licht in anderen Wellenlängen wird reflektiert oder geht durch das Material hindurch, was eine selektive Energienutzung ermöglicht.
• Geringe Wärmeabstrahlung: Ein entscheidender Vorteil von Wolfram gegenüber Metallen wie Kupfer oder Nickel ist, dass es kaum Wärme wieder an die Umgebung abgibt. Dies ist für thermoelektrische Generatoren essenziell, da die Effizienz massgeblich davon abhängt, die Hitze auf der „heissen Seite“ zu speichern und nicht durch Abstrahlung zu verlieren.
• Extreme thermische Stabilität: Wolfram besitzt einen extrem hohen Schmelzpunkt von über 3400 °C. Da solarthermische Generatoren am besten funktionieren, wenn sie sehr heiss werden, ist diese Stabilität eine Grundvoraussetzung für eine lange Lebensdauer unter intensiver Sonneneinstrahlung.
• Nanostrukturierung durch Laser („Black Metal“): Die Forscher bearbeiten die Oberfläche mit Femtosekunden-Lasern, die ultrakurze Lichtimpulse abgeben. Dadurch entstehen mikroskopische „Hügel und Täler“ (Nanostrukturen). Diese Strukturen haben zwei Effekte:
• • Sie wirken wie eine Falle für einfallendes Licht und verringern die Reflexion massiv.
  • Sie optimieren die Fähigkeit des Metalls, Sonnenlicht in Hitze umzuwandeln, weshalb die Forscher das so behandelte Material auch als „Black Metal“ bezeichnen.

Durch diese Modifikationen und in Kombination mit weiteren Massnahmen (wie der Isolierung gegen Luftzug) kann die heisse Seite des Generators Temperaturen von bis zu 120 °C erreichen. Zusammen mit einer ebenfalls laserstrukturierten Aluminium-Kühlseite führt dies zu der im Bericht erwähnten 15-fachen Steigerung der Effizienz gegenüber früheren Modellen.

In welchen Bereichen lässt sich überschüssige Wärme im Alltag nutzen?

Überschüssige Wärme, die im Alltag oft ungenutzt bleibt, bietet ein enormes Potenzial für die Rückgewinnung von Energie durch thermoelektrische Generatoren (TEGs). Die Quellen nennen hierzu eine Vielzahl von Einsatzbereichen:

Haushalt und Elektronik.

Im privaten Umfeld entsteht Abwärme bei zahlreichen täglichen Aktivitäten:

• Elektronische Geräte: Beim Betrieb von Laptops, Handys und Computern entsteht Wärme, die direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
• Haushaltsaktivitäten: Wärme, die beim Kochen oder Duschen entsteht und bisher meist einfach verpufft, könnte zur Stromerzeugung genutzt werden.
• Heizsysteme: Thermoelektrische Module lassen sich an Heizkörpern oder Kaminen anbringen. Ein spezielles Anwendungsbeispiel sind Ofenventilatoren, die durch die Hitze des Ofens betrieben werden und die warme Luft im Raum verteilen.

Mobilität und Verkehr.

Der Verkehrssektor ist einer der grössten Erzeuger von Abwärme:

• Automobile: Die Hauptquelle ist hier das Abgassystem (Auspuff). Durch die Nutzung dieser Wärme kann die Last auf die Lichtmaschine verringert und der Kraftstoffverbrauch um bis zu 10 % bis 16 % gesenkt werden. Auch am Kurbelgehäuse von Motoren lässt sich thermische Energie ernten.
• Öffentlicher Nahverkehr: Die Abwärme aus dem Betrieb von U-Bahnen wird als eine weitere nutzbare Quelle aufgeführt.

Körperwärme und Wearables.

Die menschliche Körperwärme kann als konstante Energiequelle für kleine elektronische Geräte dienen:

• Smartwatches und Sensoren: TEGs können am Körper getragen werden (Wearables), um beispielsweise Smartwatches oder medizinische Sensoren autark mit Strom zu versorgen.
• Insektenstichheiler: Ein innovatives Beispiel ist ein handliches Gerät, das die Wärme des Smartphones nutzt, um Histaminausschüttungen bei Stichen durch lokale Erhitzung zu lindern.

Outdoor und autarke Systeme.

In Bereichen ohne Zugang zum Stromnetz ist die Wärmenutzung besonders wertvoll:

• Camping: Die Hitze von Lagerfeuern oder Campingkochern kann verwendet werden, um Handys zu laden oder LED-Lampen zu betreiben.
• Landwirtschaft: In ländlichen Gegenden können TEGs als Offgrid-Energiesysteme für Boden- und Wettersensoren dienen.

Innovative Energiespeicherung und Nachtnutzung.

• Solaranlagen bei Nacht: Solarmodule heizen sich tagsüber auf bis zu 75 °C auf. Nachts kühlen sie unter die Umgebungstemperatur ab; diese Temperaturdifferenz zur Aussenluft kann genutzt werden, um auch bei Dunkelheit Strom zu generieren.
• Sandbatterien: Überschüssige Energie kann in Form von Wärme in Sand gespeichert werden. Diese gespeicherte thermische Energie lässt sich bei Bedarf über TEGs wieder in Strom umwandeln.

Darüber hinaus wird Abwärme in grossem Massstab in der Industrie (z. B. bei der Abwasserbehandlung oder in Fabriken) genutzt, um Prozesse effizienter zu gestalten und zusätzliche elektrische Leistung zu gewinnen.

Wie viel Strom können Nacht-Solarmodule theoretisch pro Quadratmeter erzeugen?

Theoretisch können Nacht-Solarmodule, die auf der Technologie thermoelektrischer Generatoren (TEG) basieren, eine Leistung von bis zu 6,5 W pro Quadratmeter Photovoltaik-Fläche erzeugen. Dies stellt das aktuell berechnete theoretische Optimum dar.

Diese Stromgewinnung funktioniert durch die Umkehrung des Prinzips herkömmlicher Solarzellen: Nachts geben die Module Wärme in Form von Infrarotstrahlung an das Weltall ab und kühlen dabei unter die Umgebungstemperatur ab. Ein angekoppelter thermoelektrischer Generator (TEG) nutzt diese Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft, um elektrische Spannung zu erzeugen. Obwohl die Nachtleistung nur etwa 5 % der üblichen Tagesleistung entspricht, könnte sie den Autarkiegrad eines Haushalts um 0,5 bis 10 % steigern und den Bedarf an teuren Batteriespeichern verringern.

Die tatsächliche Entwicklung dieser Technologie hat in den letzten Jahren signifikante Fortschritte gemacht:

• Vergangene Werte: Vor etwa drei bis fünf Jahren lag die Spitzenleistung noch bei lediglich 0,05 W pro Quadratmeter.
• Aktueller Stand (2025): Forscher der Stanford-Universität haben mittlerweile eine Spitzenleistung von 0,35 bis 0,5 W pro Quadratmeter erreicht.
• Kurzfristiges Ziel: In naher Zukunft streben die Wissenschaftler eine Steigerung auf 2 W pro Quadratmeter an.

Funktionsweise und Einordnung.

Diese Stromerzeugung wird möglich, indem die Funktionsweise von Solarmodulen nachts „umgedreht“ wird. Anstatt Sonnenlicht aufzunehmen, geben die Module Wärme in Form von Infrarotstrahlung an das Weltall ab, welches als perfekte Wärmesenke fungiert. Durch diesen Effekt der Strahlungskühlung kühlt das Modul unter die Umgebungstemperatur ab. Ein angekoppelter thermoelektrischer Generator nutzt dann die Temperaturdifferenz zwischen dem kühlen Solarmodul und der wärmeren Umgebungsluft, um elektrische Spannung zu erzeugen. Obwohl diese Werte im Vergleich zur Tagesleistung (ca. 200 W pro Quadratmeter) gering erscheinen, könnten sie den Autarkiegrad einer Dachanlage um etwa 0,5 bis 10 % steigern und den Bedarf an teuren Batteriespeichern massiv senken. Interessant wird die Technologie für die Nachrüstung laut Experten ab einem Wert von etwa 10 W pro Quadratmeter.

Können TEGs in Autos herkömmliche Lichtmaschinen komplett ersetzen?

Aktuelle Forschungen untersuchen tatsächlich das Potenzial von thermoelektrischen Generatoren (TEGs), herkömmliche Lichtmaschinen (Alternatoren) in Fahrzeugen zu ersetzen, um die Kraftstoffeffizienz zu steigern. Ob sie diese jedoch komplett ersetzen können, hängt vom Stand der Materialeffizienz und dem spezifischen Fahrzeugtyp ab.

Potenzial zur Kraftstoffeinsparung.

In Autos ist das Abgassystem die Hauptquelle für ungenutzte Wärme. Durch den Einsatz von TEGs zur Stromerzeugung aus dieser Abwärme kann die Last auf die Lichtmaschine verringert werden:

• Untersuchungen haben gezeigt, dass der Einsatz von TEGs anstelle oder zur Unterstützung von Lichtmaschinen den Kraftstoffverbrauch um etwa 3,45 % senken kann.
• Einige Schätzungen gehen davon aus, dass bei einer Reduzierung der Lichtmaschinenlast durch TEG-Strom die Kraftstoffeinsparungen sogar bis zu 16 % betragen könnten.
• Für die Zukunft wird prognostiziert, dass durch Effizienzsteigerungen bei TEGs die Reichweite von Hybridfahrzeugen um bis zu 10 % erhöht werden könnte.

Vorteile gegenüber der Lichtmaschine.

TEGs bieten gegenüber klassischen Lichtmaschinen signifikante konstruktive Vorteile:

• Wartungsfreiheit: Da es sich um Festkörperbauteile handelt, haben sie keine beweglichen Teile. Sie sind geräuschlos und extrem zuverlässig, was sie ideal für den dauerhaften Einsatz in Fahrzeugen macht.
• Passiver Betrieb: Sie liefern Strom „zum Nulltarif“, da sie Energie nutzen, die sonst ungenutzt durch den Auspuff oder das Kühlsystem verloren ginge.
• Die Hürde: Geringe Effizienz.

Der Hauptgrund, warum TEGs Lichtmaschinen aktuell noch nicht flächendeckend komplett ersetzen, ist ihr niedriger Wirkungsgrad:

• Aktueller Stand: Die meisten heutigen TEGs wandeln nur etwa 5 % bis 8 % der Wärmeenergie in Strom um. Einige einfache Modelle liegen sogar unter 1 %.
• Anforderungen für den Ersatz: Um wirklich wettbewerbsfähig zu sein und die hohen elektrischen Lasten moderner Fahrzeuge (Bordelektronik, Infotainment, Assistenzsysteme) allein zu bewältigen, müssten die Materialien eine deutlich höhere Gütezahl (ZT-Wert) erreichen.
• Zukunftsaussichten: Neuere Materialien in Prototypen erreichen bereits Effizienzen von bis zu 15 %. Wenn ZT-Werte zwischen 2 und 3 erreicht werden, könnten TEGs mit herkömmlichen Systemen zur Energieerzeugung konkurrieren.

Bauformen für den Automobilbereich.

Für den Einsatz in Fahrzeugen werden spezielle zylindrische TEGs entwickelt, die direkt um die Abgasrohre montiert werden können. Dabei werden kreisförmige Thermoelemente verwendet, um die Hitze der Abgase optimal einzufangen. In der aktuellen Phase werden TEGs primär als Ergänzung gesehen, um die Effizienz zu steigern und die Lichtmaschine zu entlasten. Ein kompletter Ersatz der Lichtmaschine ist technologisch als Ziel definiert, erfordert jedoch weitere Durchbrüche in der Materialforschung, um die notwendige elektrische Leistung stabil und kosteneffizient bereitzustellen.

Wie steht es um die Wirtschaftlichkeit der Nacht-Solarmodule?

Die Wirtschaftlichkeit von Nacht-Solarmodulen, die auf thermoelektrischen Generatoren (TEGs) basieren, befindet sich derzeit an einem Wendepunkt zwischen Forschung und Marktreife. Während die Technologie technisch bereits funktioniert, hängt ihre ökonomische Rentabilität stark von der weiteren Effizienzsteigerung ab.

Herstellungskosten und Nachrüstung.

Ein grosser Vorteil dieser Technologie sind die extrem geringen Produktionskosten. Die benötigten thermoelektrischen Komponenten und Kühlkörper liegen preislich im Cent- oder niedrigen Eurobereich. Das Ziel der Forschung ist die Entwicklung von Modulen, die einfach als Platte an bestehende Solarpaneele „geklickt“ werden können, was die Installationskosten minimieren würde.

Die wirtschaftliche Rentabilitätsschwelle.

Obwohl die Kosten niedrig sind, ist die Stromausbeute derzeit noch gering. Die Wirtschaftlichkeit wird oft an der Leistung pro Quadratmeter gemessen:

• Aktueller Stand (2025): Forscher erreichen Spitzenleistungen von etwa 0,35 bis 0,5 W pro m².
• Wirtschaftliche Schwelle: Experten gehen davon aus, dass eine Nachrüstung für Endverbraucher ab einer Leistung von etwa 10 W pro m² wirklich interessant und ökonomisch sinnvoll wird.
• Theoretisches Potenzial: Das berechnete Maximum liegt bei 6,5 W pro m². Ein Wirkungsgrad von 2 W pro m² wird als kurzfristig realistisches Ziel angesehen.

Einsparungen bei Speicherkosten.

Ein wesentlicher Faktor für die Wirtschaftlichkeit ist die Reduzierung des Bedarfs an teuren Batteriespeichern:

• Durch die kontinuierliche (wenn auch geringere) Stromproduktion in der Nacht kann der Autarkiegrad eines Haushalts um ca. 0,5 bis 10 % steigen.
• Dies führt dazu, dass kleinere Akkukapazitäten benötigt werden, wodurch sich die Investition in TEGs für Kunden bereits nach wenigen Jahren rechnen kann.

Volkswirtschaftliche Bedeutung.

Auf staatlicher Ebene könnten Nacht-Solarzellen die benötigte Grossspeicherkapazität um 1 bis 5 % senken. Für Deutschland würde dies Einsparungen im Gigawattstunden-Massstab bedeuten, was einen wirtschaftlichen Gegenwert von Millionen- bis Milliardenbeträgen darstellt.

Aktueller Status für Verbraucher.

Momentan ist die Technologie für den Massenmarkt noch nicht wirtschaftlich nutzbar. Bisher können lediglich Bastler von den Forschungsergebnissen profitieren, wobei es diesen kaum gelingen wird, die notwendigen Laborwirkungsgrade für einen rentablen Betrieb zu reproduzieren. Die Forschung konzentriert sich daher aktuell darauf, eine kostengünstige und effiziente Variante für den Massenmarkt umzusetzen.

Wie viel Strom liefert eine Dachanlage theoretisch in der Nacht?

Eine typische Dachanlage könnte nach Berechnungen von Forschern der Stanford-Universität theoretisch eine Leistung von etwa 300 bis 500 Watt in der Nacht erbringen.

Theoretische und praktische Leistungsfähigkeit:

• Theoretisches Optimum: Das physikalisch maximal Mögliche wird aktuell auf 6,5 Watt pro Quadratmeter Photovoltaik-Fläche beziffert. Zum Vergleich: Diese nächtliche Leistung wäre höher als das, was manche kleine Balkonkraftwerke am Tag liefern.
• Aktueller Stand (2025): In der Realität erreichen Forscher derzeit eine Spitzenleistung von 0,35 bis 0,5 Watt pro Quadratmeter. Für eine gesamte Dachanlage bedeutet dies aktuell eine zusätzliche Ausbeute von etwa 25 bis 50 Watt während der Nachtstunden.
• Kurzfristige Ziele: Die Forschung strebt an, in naher Zukunft eine Leistung von 2 Watt pro Quadratmeter zu erreichen, was insgesamt etwa 100 bis 200 Watt für eine Dachanlage entspräche.
• Historische Entwicklung: Vor etwa drei bis fünf Jahren lag die Ausbeute mit nur 0,05 Watt pro Quadratmeter (bzw. 2,5 bis 5 Watt pro Dach) noch deutlich niedriger, was eine Verzehnfachung der Effizienz innerhalb weniger Jahre bedeutet.

Diese Stromerzeugung wird durch den Einsatz von thermoelektrischen Generatoren (TEGs) ermöglicht. Dabei wird das Prinzip der Solaranlage nachts quasi umgedreht: Die Module geben Wärme als Infrarotstrahlung an das Weltall ab (Strahlungskühlung) und kühlen dabei unter die Umgebungstemperatur ab. Der TEG nutzt dann die entstehende Temperaturdifferenz zwischen dem kühlen Modul und der wärmeren Umgebungsluft, um Strom zu erzeugen. Obwohl diese Nachtleistung nur etwa 5 % der üblichen Tagesleistung entspricht, könnte sie den Autarkiegrad eines Haushalts um ca. 0,5 bis 10 % steigern und den Bedarf an teuren Akkukapazitäten verringern.

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Disclaimer / Abgrenzung

Stromzeit.ch übernimmt keine Garantie und Haftung für die Richtigkeit und Vollständigkeit der in diesem Bericht enthaltenen Texte, Massangaben und Aussagen.

Quellenverzeichnis (März 2026).

Neuer Super-Generator aus Wien: Strom zum 0-Tarif?
https://www.youtube.com/watch?v=O_y5XVx3KRA

Thermoelektrische Generatoren
15x effizienter: Sind diese Mini-Generatoren besser als Solarzellen?
https://www.youtube.com/watch?v=cT22uSrtv-E

Neuer Super-Generator aus Wien: Strom zum 0-Tarif?
https://www.youtube.com/watch?v=O_y5XVx3KRA

15x effizienter: Sind diese Mini-Generatoren besser als Solarzellen?
https://www.youtube.com/watch?v=cT22uSrtv-E&t=94s

Druckbare Thermoelektrische Generatoren vom Lichttechnischen Institut (LTI) am KIT
https://www.youtube.com/watch?v=COhnQwBACw0

How Does a Radioisotope Thermoelectric Generator Work? The Seebeck Effect
https://www.youtube.com/watch?v=l-Puj0uyCAg

Solarstrom in der Nacht? Geht ! Neue Solarzellen machen es möglich
https://www.youtube.com/watch?v=3ZCkvqnDlks

Genial! Neues TEG-Solarmodul liefert massiv Strom OHNE Licht!
https://www.youtube.com/watch?v=so7HRgPlWsM

Strom aus Wärme erzeugen! Einfacher thermoelektrischer Generator zum Selberbauen
https://www.youtube.com/watch?v=sqJPzF-wIdk

How Does A Thermoelectric Generator Work?
https://www.youtube.com/watch?v=BMTqhZs7FJo

THERMOELECTRIC GENERATOR
https://www.youtube.com/watch?v=iTgzk4R8fP0

Prototype 7: Thermoelectric Generator Using Hot Sand(P7)
https://www.youtube.com/watch?v=BUijPJrnkdI

Thermoelectric Generator
https://www.youtube.com/watch?v=QKe_NLQTHKs

How Does A Thermoelectric Generator Work? - Survival Skills for Everyone
https://www.youtube.com/watch?v=OdOvIDjgPkk

4 - Thermoelectric Generators: Turning Heat into Electricity
https://www.youtube.com/watch?v=QXEeLYu-cgY

Thermoelectric Generator 2025 02 11 115921
https://www.youtube.com/watch?v=BrV0gAKjZSI

How Do Thermoelectric Generators Improve Engine Efficiency? - Thermodynamics For Everyone
https://www.youtube.com/watch?v=4cgPMZIMLWE

*Illustration © NotebookLM.