Onderzoeksteam bij NIST onder leiding van Kris Bertness onderzoekt een nieuwe methode om warmte om te zetten in elektriciteit en heeft hiervoor een apparaat ontwikkeld. Zodra deze technologie is geperfectioneerd, zou het warmte omzetten in elektriciteit die anders verloren zou gaan. Het onderzoek is gebaseerd op de ontdekking van de Duitse natuurkundige Thomas Seebeck. Dit team heeft ook de ontdekking van Mahmoud Hussein verwerkt in zijn thermo-elektrische conversiestudie.
Onderzoekers van de Nationaal instituut voor normen en technologie (NIST) hebben een nieuw apparaat ontworpen dat, als het perfect is, warmte succesvol kan omzetten in elektriciteit. Deze technologie heeft de potentieel om de verloren warmte-energie terug te winnen in de Verenigde Staten wordt geschat dat dit verlies jaarlijks met een duizelingwekkende snelheid van ongeveer 100 miljard dollar wordt veroorzaakt.
Kris Bertness, een onderzoeker bij NIST, en haar team creëerden deze techniek. Hierbij worden duizenden microscopisch kleine kolommen van galliumnitride op een siliciumwafer afgezet. Het silicium wordt vervolgens laag voor laag van de onderkant van de wafer afgetrokken totdat er alleen nog een dun vel over is. Er kan meer warmte worden omgezet in elektrische stroom vanwege de interactie tussen de pilaren en het siliciumvel, wat vertraagt warmte overdracht in het materiaal.
De siliciumplaten kunnen om stoom- of uitlaatpijpen worden gewikkeld zodra het fabricageproces is ontwikkeld voor warmteomzettingsemissies in elektriciteit die kan worden gebruikt om nabijgelegen apparaten van stroom te voorzien of naar het elektriciteitsnet kan worden gestuurd. Het koelen van computerchips zou een ander mogelijk potentieel gebruik kunnen zijn.
De Duitse natuurkundige Thomas Seebeck was de eerste die een vreemd gedrag opmerkte dat diende als basis voor de NIST-University of Colorado-studie. Begin jaren 1820 begon Seebeck met het onderzoeken van een lus gevormd door twee metalen draden van verschillende samenstellingen die aan beide uiteinden met elkaar verbonden waren. Hij merkte op dat naarmate de temperaturen van de twee verbindingen die de draden bij elkaar hielden varieerden, een nabijgelegen kompasnaald zou afbuigen.
Andere onderzoekers ontdekten dat de ttemperatuurverschil tussen de twee gebieden ontwikkelde een spanning en leidde tot stroom die de afbuiging veroorzaakte. Het magnetische veld dat door de stroom werd geproduceerd, zorgde ervoor dat de kompasnaald werd omgeleid.
De Seebeck-effect, in theorie om warmte om te zetten in elektriciteit, zou de beste methode kunnen zijn om warmte-energie te hergebruiken die anders verloren zou gaan. Maar er was een belangrijk obstakel.
Om een temperatuurverschil te behouden, moet een materiaal een lage warmtegeleiding en een hoge elektrische geleidbaarheid hebben om een aanzienlijke hoeveelheid elektrische energie te genereren. De meeste materialen vertonen echter zowel elektrische als warmtegeleiding; een slechte elektrische geleider vertoont ook een slechte warmtegeleiding, en vice versa.
Mahmoud Hussein van de Universiteit van Colorado, ontdekte tijdens zijn onderzoek naar de fysica van thermo-elektrische conversie dat deze eigenschappen gescheiden konden worden in een dun membraan bedekt met nanopilaren - staande kolommen van materiaal niet langer dan een paar miljoenste van een meter, of ongeveer een tiende van de dikte van een menselijke haar. Zijn ontdekking inspireerde het team en Bertness om aan deze technologie te werken.
Met behulp van de nanopilaren konden Bertness, Hussein en hun collega's succesvol ontkoppel de warmtegeleiding van het siliciumvel van zijn elektrische geleidbaarheidHet is een primeur voor dit materiaal en een belangrijke stap in de richting van het mogelijk maken van efficiënte omzetting van warmte in elektriciteit.
Zonder de elektrische geleidbaarheid of het Seebeck-effect te beïnvloeden, slaagden de onderzoekers erin de warmtegeleiding van de siliciumplaat met 21% te verminderen.
Lees ook: Wat is een extrinsieke halfgeleider?
Atomen zijn aan elkaar gebonden door bindingen en kunnen niet vrij bewegen om warmte te geleiden in silicium en andere materialen. Als gevolg hiervan manifesteert de beweging van warmte-energie zich als bewegende fononen, wat de trillingen van de collectieve atomen zijn. Zowel het siliciumvel als de galliumnitride nanopilaren dragen fononen; de fononen in de nanopilaren zijn echter staande golven die aan beide uiteinden stationair worden gehouden door de wanden van de kleine kolommen.
Deze interactie tussen fononen en trillingen vertragen de reizende fononen, waardoor het moeilijker wordt voor de warmte om het materiaal te passeren. Als gevolg hiervan wordt de thermische geleidbaarheid verminderd en wordt het temperatuurverschil van het ene uiteinde naar het andere vergroot. Tijdens dit alles is er geen verandering in de elektrische geleidbaarheid van het siliciumvel.
Nu werkt het team alleen aan siliciumstructuren en volgt een betere geometrie voor thermo-elektrische warmteterugwinning. Ze verwachten een hoge mate van omzetting van warmte in elektriciteit te demonstreren. De omzettingsgraad zorgt ervoor dat de techniek economisch levensvatbaar wordt voor de industrie.
Bron: NIST-persbericht
