Enheder, der omdanner varme til elektricitet et skridt tættere på virkeligheden

De samme forskere, der var pionerer i brugen af ​​en kvantemekanisk effekt til at omdanne varme til elektricitet, har fundet ud af, hvordan de kan få deres teknik til at fungere i en form, der er mere egnet til industrien.

I Naturkommunikation , ingeniører fra Ohio State University beskriver, hvordan de brugte magnetisme på en komposit af nikkel og platin til at forstærke spændingen 10 gange eller mere - ikke i en tynd film, som de havde gjort tidligere, men i et tykkere stykke materiale, der mere ligner komponenter til fremtidige elektroniske enheder.

Mange elektriske og mekaniske enheder, såsom bilmotorer, producere varme som et biprodukt af deres normale drift. Det kaldes "spildvarme, "og dets eksistens er påkrævet af termodynamikkens grundlæggende love, forklarede undersøgelsens medforfatter Stephen Boona.

Men et voksende forskningsområde kaldet solid-state termoelektrik har til formål at fange spildvarmen inde i specialdesignede materialer for at generere strøm og øge den samlede energieffektivitet.

"Over halvdelen af ​​den energi, vi bruger, går til spilde og kommer ind i atmosfæren som varme, " sagde Boona, en postdoc-forsker ved Ohio State. "Solid-state termoelektrik kan hjælpe os med at genvinde noget af den energi. Disse enheder har ingen bevægelige dele, slid ikke op, er robuste og kræver ingen vedligeholdelse. Desværre, til dato, de er også for dyre og ikke helt effektive nok til at berettige udbredt brug. Det arbejder vi på at ændre."

I 2012 den samme Ohio State forskningsgruppe, ledet af Joseph Heremans, demonstreret, at magnetiske felter kunne booste en kvantemekanisk effekt kaldet spin Seebeck-effekten, og igen øge spændingsoutputtet af tynde film lavet af eksotiske nanostrukturerede materialer fra nogle få mikrovolt til et par millivolt.

I dette seneste fremskridt, de har øget outputtet for en sammensætning af to meget almindelige metaller, nikkel med et drys af platin, fra nogle få nanovolt til titusinder eller hundreder af nanovolt - en mindre spænding, men i en meget enklere enhed, der ikke kræver nanofabrikation og let kan skaleres op til industrien.

Heremans, en professor i mekanisk og rumfartsteknik og Ohio Eminent Scholar i nanoteknologi, Sagde det, til en vis grad, at bruge den samme teknik i tykkere stykker materiale krævede, at han og hans team genovervejede de ligninger, der styrer termodynamik og termoelektricitet, som blev udviklet før forskerne kendte til kvantemekanik. Og mens kvantemekanikken ofte angår fotoner – bølger og partikler af lys – handler Heremans' forskning om magnoner – magnetiske bølger og partikler.

"I bund og grund, klassisk termodynamik dækker over dampmaskiner, der bruger damp som arbejdsvæske, eller jetmotorer eller bilmotorer, der bruger luft som arbejdsvæske. Termoelektrik bruger elektroner som arbejdsvæske. Og i dette arbejde, vi bruger magnetiseringsmængder, eller 'magnoner, ' som arbejdsvæske, " sagde Heremans.

Forskning i magnon-baseret termodynamik blev indtil nu altid udført i tynde film - måske kun nogle få atomer tykke - og selv de bedst ydende film producerer meget små spændinger.

I avisen fra 2012, hans hold beskrev at slå elektroner med magnoner for at skubbe dem gennem termoelektriske materialer. I det aktuelle Nature Communications papir, de har vist, at den samme teknik kan bruges i bulkstykker af kompositmaterialer for yderligere at forbedre spildvarmegenvindingen.

I stedet for at påføre en tynd film af platin oven på et magnetisk materiale, som de kunne have gjort før, forskerne fordelte en meget lille mængde platinnanopartikler tilfældigt gennem et magnetisk materiale - i dette tilfælde, nikkel. Den resulterende komposit producerede forbedret spændingsoutput på grund af spin Seebeck-effekten. Det betyder, at for en given mængde varme, kompositmaterialet genererede mere elektrisk strøm, end begge materialer kunne alene. Da hele kompositstykket er elektrisk ledende, andre elektriske komponenter kan trække spændingen fra den med øget effektivitet sammenlignet med en film.

Selvom det sammensatte endnu ikke er en del af en enhed fra den virkelige verden, Heremans er overbevist om, at proof-of-princippet, som er etableret af denne undersøgelse, vil inspirere til yderligere forskning, der kan føre til anvendelser af almindelige spildvarmegeneratorer, herunder bil- og jetmotorer. Tanken er meget generel, han tilføjede, og kan anvendes på en række forskellige materialekombinationer, muliggør helt nye tilgange, der ikke kræver dyre metaller som platin eller delikate forarbejdningsprocedurer som tyndfilmsvækst.