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 het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuw apparaat ontworpen dat, als het perfect is, warmte succesvol in elektriciteit zou kunnen omzetten. Deze technologie heeft de potentie om de verspilde warmte-energie in de Verenigde Staten terug te winnen, waarvan de verspilling wordt geschat op maar liefst 100 miljard dollar per jaar.
Kris Bertness , onderzoeker bij NIST, en haar team ontwikkelden deze techniek. De techniek houdt in dat duizenden microscopische kolommetjes galliumnitride op een silicium wafer worden aangebracht. Vervolgens wordt het silicium laagje voor laagje van de onderkant van de wafer verwijderd totdat er slechts een dunne laag overblijft. Door de interactie tussen de pilaartjes en de siliciumlaag kan er meer warmte worden omgezet in elektrische stroom, waardoor de warmteoverdracht in het materiaal wordt vertraagd .
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 merkwaardig gedrag opmerkte dat de basis vormde voor het NIST-University of Colorado-onderzoek. Begin jaren 1820 begon Seebeck een lus te onderzoeken die gevormd werd door twee metalen draden van verschillende samenstellingen die aan beide uiteinden met elkaar verbonden waren. Hij merkte op dat wanneer de temperatuur van de twee verbindingspunten tussen de draden varieerde, een nabijgelegen kompasnaald uitboog.
Andere onderzoekers ontdekten dat het temperatuurverschil tussen de twee gebieden een spanning opwekte en een stroom veroorzaakte die de afbuiging teweegbracht. Het magnetische veld dat door de stroom werd opgewekt, zorgde ervoor dat de kompasnaald van richting veranderde.
Het Seebeck-effect , in theorie een methode om warmte om te zetten in elektriciteit, zou de beste manier kunnen zijn om warmte-energie die anders verloren zou gaan, te hergebruiken. Maar er was een aanzienlijk 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 die niet langer zijn dan een paar miljoenste van een meter, ofwel ongeveer een tiende van de dikte van een mensenhaar. Zijn ontdekking inspireerde het team en Bertness om aan deze technologie te werken.
Met behulp van de nanopilaren slaagden Bertness, Hussein en hun collega's erin om de warmtegeleiding van de siliciumplaat los te koppelen van de elektrische geleiding . Dit is een primeur voor welk materiaal dan ook en een belangrijke stap richting 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 vertraagt de voortplantende fononen, waardoor het moeilijker wordt voor de warmte om het materiaal te verlaten. Als gevolg hiervan neemt de thermische geleidbaarheid af en neemt het temperatuurverschil tussen de uiteinden toe. Gedurende dit alles verandert de elektrische geleidbaarheid van de siliciumplaat niet.
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
