Forskarteamet vid NIST under ledning av Kris Bertness undersöker en ny metod för omvandling av värme till el och har utvecklat en enhet för detsamma. När denna teknik väl är fulländad skulle den omvandla värme till elektricitet som annars skulle gå till spillo. Forskningen bygger på upptäckten av den tyske fysikern Thomas Seebeck. Detta team har också införlivat upptäckten som Mahmoud Hussein gjorde i sin termoelektriska konverteringsstudie.
Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har konstruerat en ny apparat som, om den är perfekt, framgångsrikt skulle kunna omvandla värme till elektricitet. Denna teknik har potential att återvinna den bortkastade värmeenergin i USA, som uppskattas gå förlorad med en häpnadsväckande takt på cirka 100 miljarder dollar per år.
Kris Bertness , forskare vid NIST, och hennes team skapade den här tekniken. Den innebär att tusentals mikroskopiska kolonner av galliumnitrid placeras ovanpå en kiselskiva. Kislet skalas sedan av från skivans undersida lager för lager tills bara ett tunt ark återstår. Mer värme kan omvandlas till elektrisk ström på grund av samspelet mellan pelarna och kiselarket, vilket saktar ner värmeöverföringen i materialet.
Kiselskivorna kan lindas runt ång- eller avgasrör när tillverkningsprocessen har utvecklats för värmeomvandlingsutsläpp till elektricitet som kan användas för att driva närliggande enheter eller skickas till elnätet. Kylning av datorchips skulle vara en annan möjlig användning.
Den tyske fysikern Thomas Seebeck var den förste att lägga märke till ett säreget beteende som låg till grund för NIST-University of Colorado-studien. Tidigt på 1820-talet började Seebeck undersöka en slinga bildad av två metalltrådar av olika sammansättningar sammanlänkade i båda ändar. Han lade märke till att när temperaturerna på de två förbindelserna som höll trådarna samman varierade, böjde en närliggande kompassnål ut.
Andra forskare upptäckte att temperaturskillnaden mellan de två områdena skapade en spänning och ledde till en ström som orsakade avböjningen. Magnetfältet som producerades av strömmen fick kompassnålen att böjas om.
Seebeck -effekten , som i teorin omvandlar värme till elektricitet, kan vara den bästa metoden för att återanvända värmeenergi som annars skulle gå till spillo. Men det fanns ett betydande hinder.
För att upprätthålla en temperaturskillnad bör ett material ha låg värmeledningsförmåga och hög elektrisk ledningsförmåga för att generera en betydande mängd elektrisk energi. Majoriteten av materialen uppvisar emellertid både elektrisk och värmeledningsförmåga; en dålig elektrisk ledare uppvisar också dålig värmeledningsförmåga och vice versa.
Mahmoud Hussein vid University of Colorado upptäckte under sin forskning om fysiken bakom termoelektrisk omvandling att dessa egenskaper kunde separeras i ett tunt membran täckt med nanopilar – stående materialpelare som inte var längre än några miljondels meter, eller ungefär en tiondel av tjockleken på ett mänskligt hårstrå. Hans upptäckt inspirerade teamet och Bertness att arbeta med denna teknik.
Med hjälp av nanopelarna kunde Bertness, Hussein och deras kollegor framgångsrikt frikoppla kiselskiktets värmeledningsförmåga från dess elektriska ledningsförmåga . Det är en nyhet för något material och ett betydande steg mot att möjliggöra effektiv omvandling av värme till elektricitet.
Utan att påverka dess elektriska ledningsförmåga eller förändra Seebeck-effekten lyckades forskarna minska kiselskivans värmeledningsförmåga med 21 %.
Läs också: Vad är en extrinsisk halvledare?
Atomer är sammanbundna av bindningar och kan inte röra sig fritt för att leda värme i kisel och andra material. Som ett resultat manifesteras värmeenergins rörelse som rörliga fononer, som är de kollektiva atomernas vibrationer. Både kiselarket och galliumnitridnanopelarna bär fononer; dock är fononerna inom nanopelarna stående vågor som hålls stationära i båda ändarna av väggarna i de små kolonnerna.
Denna interaktion mellan fononer och vibrationer saktar ner de färdande fononerna, vilket gör det svårare för värmen att passera materialet. Som ett resultat minskar värmeledningsförmågan och temperaturskillnaden mellan änden ökar. Under allt detta sker ingen förändring i kiselskiktets elektriska ledningsförmåga.
Nu arbetar teamet med enbart kiselstrukturer och följer en bättre geometri för termoelektrisk värmeåtervinning. De har förväntningar på att visa en hög takt för att omvandla värme till el. Konverteringsgraden säkerställer att tekniken blir ekonomiskt lönsam för branschen.
Källa: NISTs pressmeddelande
