Strom, der aus dem Rauschen kommt

In Computern entsteht jede Menge überschüssiger Wärme. Bauteile, die diese Energie auf sinnvolle Weise nutzen, wurden in der Theorie schon seit ein paar Jahren vorhergesagt. Physikern der Universität Würzburg ist es jetzt gelungen, solche Teile im Labor herzustellen. Je kleiner und leistungsfähiger Rechenchips in Computern werden, desto mehr Wärme produzieren sie. Das sorgt zum einen für finanzielle Probleme, denn Kühlen kosten Geld. Aus diesem Grund baut beispielsweise Google neue Serverfarmen gerne in nördlichen Breiten, etwa in Finnland, wo die arktische Kälte die Server quasi von alleine auf niedrigen Temperaturen hält. Zum anderen setzt eine übermäßige Hitzeentwicklung der fortschreitenden Miniaturisierung Grenzen und erschwert so die Entwicklung noch kleinerer und leistungsfähigerer Prozessoren.

Dass sich diese Energie auf eine spezielle Weise dazu nutzen lassen könnte, Strom zu erzeugen, haben vor ein paar Jahren Physiker der Universität Genf theoretisch vorhergesagt. Jetzt ist es einem Team von Physikern an der Universität Würzburg gelungen, die Theorie in die Praxis umzusetzen. Wissenschaftler am Lehrstuhl für Technische Physik unter Leitung der Professoren Lukas Worschech und Sven Höfling haben ein Bauteil hergestellt, das in der Lage ist, aus Wärmeunterschieden einen gleichgerichteten Strom zu produzieren. In der Fachzeitschrift Physical Review Letters haben die Wissenschaftler ihre Arbeit vorgestellt.

Mit dem Bauteil wird aus zufälligen Bewegungen Energie erzeugt, so erklärt Dr. Fabian Hartmann das zu Grunde liegende Prinzip. In diesem Fall geht es um Bewegungen von Elektronen in Strukturen, die nur wenige milliardstel Meter groß sind. Je größer die Fluktuationen in dieser Struktur sind, desto stärker sind die zufälligen Bewegungen – der Physiker spricht von Rauschen. Dort, wo die Hitze groß ist, findet ein hohes Rauschen statt. An den kälteren Stellen ist das Rauschen niedriger. Die Kunst ist es nun, aus diesem Unterschied einen gleichgerichteten Strom zu produzieren.

Im Gottfried-Landwehr-Labor für Nanotechnologie der Universität Würzburg haben die Physiker zu diesem Zweck eine Struktur aufgebaut, die als Quantenpunkt bezeichnet wird. Dafür haben sie auf einem Trägermaterial schichtweise eine Aluminium-Galliumarsenid-Heterostruktur aufgebracht, die nur wenige Mikrometer groß ist. Anschließend haben sie dort spezielle Strukturen hineingeätzt, in denen sich Elektronen bewegen können. Allerdings ist der Spalt, der den Elektronen Platz bietet, gerade mal wenige Nanometer breit. So entsteht ein zweidimensionales Elektronengas, in dem die Bewegungsrichtungen stark eingeschränkt sind. Damit erreichen Wissenschaftler eine sehr hohe Beweglichkeit von Elektronen auf einem definierten Raum ohne Streuprozesse. Bringt man nun zwei solche Quantenpunkte unterschiedlicher Temperatur nah zusammen, tritt der gewünschte Effekt ein: Aus der zufälligen Bewegung, dem hohen Rauschen auf der einen Seite, entsteht auf der anderen Seite eine gerichtete Bewegung – ein Gleichstrom.

Natürlich war es auch bisher schon möglich, aus Temperaturunterschieden Energie in Form von Strom zu gewinnen. Sogenannte „Thermoelektrische Elemente“ sind dazu in der Lage. Das Spektrum der Möglichkeiten reicht von der Armbanduhr, die ihre Antriebsenergie aus der geringen Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungsluft und der Körperwärme erhält, über thermoelektrische Aggregate, die die Abwärme aus dem Verbrennungsprozess im Automobil nutzen, bis zur Raumsonde Cassini, die die Zerfallswärme von Plutonium-238 in elektrische Energie umwandelt. Aus Sicht der Physiker weisen thermoelektrische Elemente allerdings einen gravierenden Nachteil auf: Bei ihnen sind Wärmestrom und elektrischer Strom gleichgerichtet. Das heißt: Während sie Strom produzieren, verringern diese Materialien automatisch die Temperaturdifferenz soweit, bis der Unterschied verschwunden ist. Womit dann auch kein Strom mehr fließen kann. Bei den untersuchten Bauelementen hingegen sind diese beiden Prozesse voneinander entkoppelt. Die Temperaturdifferenzen lässt sich somit leichter aufrecht erhalten.

Die Energieausbeute der Bauteile klingt für den Laien nach kaum mehr als Nichts. Rund 20 Picowatt betrage die Leistung eines solchen Elements. 50 Milliarden von ihnen erzeugen gerade mal ein Watt. Ist die Entwicklung dieser Teile also reine Spielerei im Labor? Definitiv nicht, so Hartmann. Zum einen besitze ein heute gängiger Prozessor bereits mehr als eine Milliarde Transistoren, die alle Hitze produzieren. Zum anderen sei es ein Ziel seiner Arbeit, autonome Sensornetzwerke auf diese Weise mit Energie zu versorgen. Und dafür reichten bereits wenige Mikrowatt.

Voltage Fluctuation to Current Converter with Coulomb-Coupled Quantum Dots. F. Hartmann, P. Pfeffer, S. Höfling, M. Kamp, and L. Worschech. DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.146805.

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