Kris Bertnessin johtama NIST:n tutkimusryhmä tutkii uutta lämmön muuntamismenetelmää sähköksi ja on kehittänyt sitä varten laitteen. Kun tämä tekniikka on täydellinen, se muuttaisi lämmön sähköksi, joka muuten menisi hukkaan. Tutkimus perustuu saksalaisen fyysikon Thomas Seebeckin löytöihin. Tämä ryhmä on myös sisällyttänyt Mahmoud Husseinin tekemän löydön lämpösähköiseen muunnostutkimukseensa.
Yhdysvaltain kansallisen standardi- ja teknologiainstituutin (NIST) tutkijat ovat suunnitelleet uuden laitteen, joka, jos se on täydellinen, voisi onnistuneesti muuntaa lämmön sähköksi. Tällä teknologialla on potentiaalia ottaa talteen Yhdysvalloissa hukkaan menevä lämpöenergia , jonka arvioidaan menevän hukkaan hämmästyttävän noin 100 miljardin dollarin vuosivauhdilla.
NISTin tutkija Kris Bertness ja hänen tiiminsä kehittivät tämän tekniikan. Siinä tuhansia mikroskooppisia galliumnitridipylväitä kerrostetaan piikiekon päälle. Pii kuoritaan sitten pois kiekon alapinnasta kerros kerrokselta, kunnes jäljelle jää vain ohut levy. Enemmän lämpöä voidaan muuntaa sähkövirraksi pilareiden ja piilevyn välisen vuorovaikutuksen ansiosta, mikä hidastaa lämmönsiirtoa materiaalissa.
Piilevyt voidaan kääriä höyry- tai pakoputkien ympärille, kun valmistusprosessi on kehitetty lämmön muuntamiseksi sähköksi, jota voitaisiin käyttää lähellä olevien laitteiden virtalähteenä tai lähettää sähköverkkoon. Tietokonesirujen jäähdyttäminen olisi toinen mahdollinen käyttökohde.
Saksalainen fyysikko Thomas Seebeck huomasi ensimmäisenä erikoisen käyttäytymisen, joka toimi NIST-Coloradon yliopiston tutkimuksen perustana. 1820-luvun alussa Seebeck alkoi tutkia silmukkaa, joka muodostui kahdesta eri koostumuksesta koostuvasta metallilangasta, jotka oli yhdistetty molemmista päistä. Hän huomasi, että kun lankoja yhdessä pitävien kahden liitoksen lämpötilat vaihtelivat, lähellä oleva kompassin neula taipui.
Muut tutkijat havaitsivat, että kahden alueen välinen lämpötilaero kehitti jännitteen ja johti virtaan, joka aiheutti taipuman. Virran tuottama magneettikenttä aiheutti kompassin neulan uudelleen suuntautumisen.
Seebeckin ilmiö , joka teoriassa muuntaa lämmön sähköksi, saattaisi olla paras menetelmä muuten hukkaan menisivän lämpöenergian uudelleenkäyttöön. Mutta tiellä oli merkittävä este.
Lämpötilaeron ylläpitämiseksi materiaalilla tulee olla alhainen lämmönjohtavuus ja korkea sähkönjohtavuus, jotta se tuottaa huomattavan määrän sähköenergiaa. Suurimmalla osalla materiaaleista on kuitenkin sekä sähkön- että lämmönjohtavuus; huonolla sähköjohdolla on myös huono lämmönjohtavuus ja päinvastoin.
Coloradon yliopiston Mahmoud Hussein havaitsi termoelektrisen muunnoksen fysiikkaa koskevassa tutkimuksessaan, että nämä ominaisuudet voitiin erottaa ohuessa kalvossa, joka oli peitetty nanopilareilla – nanopilareilla, jotka olivat korkeintaan muutaman miljoonasosan metrin pituisia tai noin kymmenesosan ihmisen hiuksen paksuudesta. Hänen löytönsä inspiroi tiimiä ja Bertnessin työskentelemään tämän teknologian parissa.
Nanopilarien avulla Bertness, Hussein ja heidän kollegansa pystyivät onnistuneesti erottamaan piilevyn lämmönjohtavuuden sen sähkönjohtavuudesta . Tämä on ensimmäinen laatuaan missään materiaalissa ja merkittävä askel kohti tehokasta lämmön muuntamista sähköksi.
Vaikuttamatta sen sähkönjohtavuuteen tai muuttamatta Seebeck-ilmiötä, tutkijat onnistuivat vähentämään piilevyn lämmönjohtavuutta 21%.
Lue myös: Mikä on ulkoinen puolijohde?
Atomit ovat sitoutuneet toisiinsa sidoksilla, eivätkä ne pysty liikkumaan vapaasti johtamaan lämpöä piissä ja muissa materiaaleissa. Tämän seurauksena lämpöenergian liike ilmenee liikkuvina fononeina, jotka ovat kollektiivisten atomien värähtelyjä. Sekä piilevyssä että galliumnitridin nanopilareissa on fononeja; nanopilarien sisällä olevat fononit ovat kuitenkin seisovia aaltoja, joita pienten pylväiden seinämät pitävät paikallaan molemmista päistä.
Tämä fononien ja värähtelyjen välinen vuorovaikutus hidastaa kulkevia fononeja, mikä vaikeuttaa lämmön kulkua materiaalin läpi. Tämän seurauksena lämmönjohtavuus heikkenee ja lämpötilaero päiden välillä kasvaa. Kaiken tämän aikana piilevyn sähkönjohtavuus ei muutu.
Nyt tiimi työskentelee pelkästään piirakenteiden parissa ja noudattaa parempaa geometriaa lämpösähköisen lämmön talteenottoon. He odottavat pystyvänsä osoittamaan korkean nopeuden muuntaa lämpöä sähköksi. Muuntokurssi varmistaa, että tekniikasta tulee taloudellisesti kannattavaa teollisuudelle.
Lähde: NIST:n lehdistötiedote
