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 designat en ny enhet som, om den är perfekt, framgångsrikt kan omvandla värme till elektricitet. Denna teknik har potential att återvinna den bortkastade värmeenergin i USA, som beräknas slösas bort i en svindlande takt av cirka 100 miljarder dollar per år.
Kris Bertness, en forskare vid NIST, och hennes team skapade denna teknik. Det handlar om att deponera tusentals mikroskopiska kolonner av galliumnitrid ovanpå en kiselwafer. Silikonet skalas sedan av från skivans undersida lager för lager tills bara ett tunt ark finns kvar. Mer värme kan omvandlas till elektrisk ström på grund av interaktionen mellan pelarna och kiselskivan, som saktar ner värmen överföring 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 tyska fysikern Thomas Seebeck var den första att lägga märke till ett märkligt beteende som låg till grund för NIST-University of Colorado-studien. Tidigt på 1820-talet började Seebeck undersöka en slinga som bildades av två metalltrådar av olika sammansättning kopplade i båda ändar. Han märkte att när temperaturen på de två korsningarna som håller ihop ledningarna varierade, skulle en närliggande kompassnål avledas.
Andra forskare fick reda på att ttemperaturskillnaden mellan de två områdena utvecklade en spänning och ledde till ström som orsakade avböjningen. Det magnetiska fältet som produceras av strömmen gjorde att kompassnålen omdirigerades.
Ocuco-landskapet Seebeck-effekt, i teorin att omvandla värme till el, kan vara den bästa metoden för att återanvända värmeenergi som annars skulle gå till spillo. Men det fanns en betydande vägspärr.
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 termoelektrisk konverterings fysik att dessa egenskaper kunde separeras i ett tunt membran täckt med nanopelare – stående pelare av material som inte var längre än några miljondels meter, eller ungefär en tiondel av tjockleken på ett människohår. Hans upptäckt inspirerade teamet och Bertness att arbeta med denna teknik.
Med hjälp av nanopelarna kunde Bertness, Hussein och deras kollegor framgångsrikt koppla bort kiselskivans värmeledningsförmåga från dess elektriska ledningsförmåga. Det är det första för alla material och ett viktigt steg mot att möjliggöra effektiv värme- till elkonvertering.
Utan att påverka dess elektriska ledningsförmåga eller förändra Seebeck-effekten lyckades forskarna minska kiselskivans värmeledningsförmåga med 21 %.
Läs också: Vad är Extrinsic Semiconductor?
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 resande fononerna, vilket gör det svårare för värmen att passera materialet. Som ett resultat minskar värmeledningsförmågan och temperaturskillnaden från en ände till en annan ökar. Under allt detta sker ingen förändring i kiselskivans 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: NIST pressmeddelande
