Onderzoek naar een nieuwe manier om warmte om te zetten in elektriciteit

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuw apparaat gefabriceerd dat de omzetting van warmte in elektriciteit drastisch zou kunnen stimuleren. Indien geperfectioneerd, zou de technologie kunnen helpen een deel van de warmte-energie terug te winnen die in de VS wordt verspild met een snelheid van ongeveer $ 100 miljard per jaar.

De nieuwe fabricagetechniek, ontwikkeld door NIST-onderzoeker Kris Bertness en haar medewerkers, omvat het deponeren van honderdduizenden microscopische kolommen van galliumnitride bovenop een siliciumwafel. Lagen silicium worden vervolgens van de onderkant van de wafel verwijderd totdat er slechts een dunne laag van het materiaal overblijft.

De interactie tussen de pilaren en het siliciumvel vertraagt ​​het warmtetransport in het silicium, waardoor meer warmte kan worden omgezet in elektrische stroom. Bertness en haar medewerkers van de University of Colorado Boulder rapporteerden de bevindingen online op 23 maart Geavanceerde materialen.

Zodra de fabricagemethode is geperfectioneerd, kunnen de siliconenplaten rond stoom- of uitlaatpijpen worden gewikkeld om warmte-emissies om te zetten in elektriciteit die apparaten in de buurt van stroom kan voorzien of aan een elektriciteitsnet kan worden geleverd. Een andere mogelijke toepassing is het koelen van computerchips.

De studie van de NIST-Universiteit van Colorado is gebaseerd op een merkwaardig fenomeen dat voor het eerst werd ontdekt door de Duitse natuurkundige Thomas Seebeck. In de vroege jaren 1820 bestudeerde Seebeck twee metalen draden, elk gemaakt van een ander materiaal, die aan beide uiteinden waren samengevoegd om een ​​lus te vormen.

Hij merkte op dat wanneer de twee knooppunten die de draden met elkaar verbinden op verschillende temperaturen werden gehouden, een nabije kompasnaald afbuigde. Andere wetenschappers realiseerden zich al snel dat de afbuiging plaatsvond omdat het temperatuurverschil een spanning veroorzaakte tussen de twee regio’s, waardoor er stroom van het hetere naar het koudere gebied vloeide. De stroom creëerde een magnetisch veld dat de kompasnaald afbuigde.

In theorie zou het zogenaamde Seebeck-effect een ideale manier kunnen zijn om warmte-energie te hergebruiken die anders verloren zou gaan. Maar er is een groot obstakel geweest. Een materiaal moet warmte slecht geleiden om een ​​temperatuurverschil tussen twee regio’s te behouden, maar elektriciteit extreem goed geleiden om de warmte om te zetten in een substantiële hoeveelheid elektrische energie. Voor de meeste stoffen gaan warmtegeleiding en elektrische geleidbaarheid echter hand in hand; een slechte warmtegeleider zorgt voor een slechte elektrische geleider en vice versa.

Bij het bestuderen van de fysica van thermo-elektrische conversie ontdekte theoreticus Mahmoud Hussein van de Universiteit van Colorado dat deze eigenschappen konden worden ontkoppeld in een dun membraan bedekt met nanopilaren – staande kolommen materiaal van niet meer dan een paar miljoenste van een meter lang, of ongeveer één – tiende van de dikte van een mensenhaar. Zijn vondst leidde tot de samenwerking met Bertness.

Met behulp van de nanopilaren slaagden Bertness, Hussein en hun collega’s erin de warmtegeleidbaarheid te ontkoppelen van de elektrische geleidbaarheid in de siliciumplaat – een primeur voor elk materiaal en een mijlpaal voor het mogelijk maken van een efficiënte omzetting van warmte in elektrische energie. De onderzoekers verminderden de warmtegeleiding van de siliciumplaat met 21% zonder de elektrische geleidbaarheid te verlagen of het Seebeck-effect te veranderen.

In silicium en andere vaste stoffen worden atomen beperkt door bindingen en kunnen ze niet vrij bewegen om warmte over te dragen. Als gevolg hiervan neemt het transport van warmte-energie de vorm aan van fononen – bewegende collectieve trillingen van de atomen. Zowel de nanopijlers van galliumnitride als het siliciumvel dragen fononen, maar die binnen de nanopijlers zijn staande golven, vastgepind door de wanden van de kleine kolommen, ongeveer zoals een trillende gitaarsnaar aan beide uiteinden vastgehouden wordt.

De interactie tussen de fononen die in het siliciumvel bewegen en de trillingen in de nanopilaren vertragen de bewegende fononen, waardoor het moeilijker wordt voor warmte om door het materiaal te gaan. Dit vermindert de thermische geleidbaarheid, waardoor het temperatuurverschil van het ene uiteinde naar het andere toeneemt. Net zo belangrijk is dat de fonon-interactie deze prestatie tot stand brengt, terwijl de elektrische geleidbaarheid van de siliciumplaat ongewijzigd blijft.

Het team werkt nu aan structuren die volledig uit silicium zijn vervaardigd en met een betere geometrie voor thermo-elektrische warmteterugwinning. De onderzoekers verwachten een conversieratio van warmte naar elektriciteit aan te tonen die hoog genoeg is om hun techniek economisch levensvatbaar te maken voor de industrie.