Omdannelse af spildvarme til ren energi

Føler du varmen komme fra din computer eller mobiltelefon? Det er spildt energi, der udstråler fra enheden. Med biler, det anslås, at 60% af brændstofeffektiviteten går tabt på grund af spildvarme. Er det muligt at fange denne energi og omdanne den til elektricitet?

Forskere, der arbejder inden for termoelektrisk energiproduktion, siger absolut. Men om det kan gøres omkostningseffektivt, er stadig et spørgsmål.

For nu, termoelektriske generatorer er en sjældenhed, bruges primært i nicheapplikationer som rumsonder, hvor tankning ikke er en mulighed. Termoelektricitet er et aktivt forskningsområde, især blandt bilfirmaer som BMW og Audi. Imidlertid, til dato, omkostningerne ved at konvertere varme til elektricitet har vist sig at være dyrere end selve elektriciteten.

Anveeksh Koneru, en lektor i maskinteknik ved University of Texas Permian Basin (UTPB), undersøger en ny metode til at fange spildvarme ved at udnytte elektronernes kvantemekaniske bevægelser i spinpolariserede materialer.

I partikelfysik, spin er en iboende form for vinkelmoment båret af elementarpartikler, sammensatte partikler (hadroner), og atomkerner. Gennem en mekanisme kendt som Spin Hall -effekten, det har vist sig, at en spænding kan genereres ved at udnytte forskelle i spin-populationer på en metalkontakt fastgjort til et ferromagnetisk materiale. Først eksperimentelt demonstreret af japanske forskere i 2008, ideen har gennemgået materialevidenskaben i et stykke tid, men har endnu ikke fundet sin optimale form.

Koneru mener, at i koboltoxid, han kan have fundet det rigtige materiale til at udnytte effekten til energiproduktion. En uorganisk forbindelse, der bruges i den keramiske industri til at skabe blåfarvede glasurer, og inden for vandadskillelsesteknologier, koboltoxider besidder den unikke evne til at acceptere substituerende overgangsmetalkationer, som gør det muligt at blande dem med nikkel, kobber, mangan, eller zink. Disse metaller har magnetiske egenskaber, der kan øge adskillelsen mellem elektroner, der spinder op og ned og forbedrer omdannelsen af ​​varme til elektricitet.

"Materialet skal være en god elektrisk leder, men en dårlig termisk leder. Det skal lede elektroner, men ikke fononer, som er varme, "Sagde Koneru." For at studere dette eksperimentelt, vi bliver nødt til at fremstille tusindvis af forskellige kombinationer af materialer. I stedet, vi forsøger teoretisk at beregne, hvad den optimale konfiguration af materialet ved hjælp af substitutioner er."

Siden 2018 har Koneru har brugt supercomputere i Texas Advanced Computing Center (TACC) til praktisk talt at teste energiprofiler for en række forskellige koboltoxider med en række substitutioner.

"Hver kalibrering tager 30 til 40 timers beregningstid, og vi skal studere mindst en 1, 000 til 1, 500 forskellige konfigurationer, "forklarede han." Det kræver en enorm beregningsfacilitet, og det er, hvad TACC leverer. "

Koneru, sammen med UTPB -kandidatstuderende Gustavo Damis Resende, Nolan Hines, og en samarbejdspartner fra West Virginia University, Terence Musho, præsenterede deres første fund om koboltoxiders termoelektriske kapacitet på Materials Research Society Spring Meeting i Phoenix, Arizona, den 22. april.

Forskerne undersøgte 56-atom-enhedsceller i tre konfigurationer af koboltoxid, afstemt ved substitutioner af nikkel og zink, for at opnå optimal termoelektrisk ydelse. De brugte en softwarepakke kendt som Quantum ESPRESSO til at beregne fysiske egenskaber for hver konfiguration. Disse omfatter:

• båndgabet:den minimale energi, der kræves for at excitere en elektron til en tilstand, hvor den leder energi; gitterparameteren:de fysiske dimensioner af celler i et krystalgitter;
• den effektive masse af ledningselektroner:massen, som en partikel synes at have, når den reagerer på kraft;
• og spinpolarisationen:i hvilken grad spin er justeret med en given retning.

Disse grundlæggende egenskaber blev derefter brugt til at udføre konventionelle ladnings- og centrifugeringsberegninger, som fortæller forskerne, hvor godt en konfiguration af koboltoxidet kan omdanne varme til elektricitet.

Ifølge forskerne, metoden udviklet i denne forskning kan anvendes på andre interessante termoelektriske materialer med halvledende og magnetiske egenskaber, gør det bredt anvendeligt for materialevidenskabssamfundet.

BRUG AF UT FORSKNINGS CYBERINFRASTRUKTUR

Som ph.d. studerende ved West Virginia University, Koneru havde adgang til store supercomputere til at udføre sin forskning. Selvom UTPB ikke har sådanne ressourcer lokalt, han var i stand til at udnytte de avancerede computersystemer og tjenester fra TACC gennem UT Research Cyberinfrastructure (UTRC) -initiativet, hvilken, siden 2007, har givet forskere ved enhver af University of Texas Systems 14 institutioner adgang til TACCs ressourcer, ekspertise, og træning.

Som en del af UTRC -initiativet TACC-personale fungerer som forbindelsesled, besøger UT Systems 14 campusser, tilbyde træning og rådgivning, og introducere forskere de ressourcer, de har til rådighed. Da TACC -forsker Ari Kahn besøgte UTPB, han mødte Koneru og opfordrede ham til at regne ved TACC.

Siden da, Koneru har brugt Lonestar5, et system udelukkende til UT-systemforskere, for sit arbejde. Selvom de stadig er i deres tidlige fase, resultaterne indtil videre har været lovende.

"Jeg er spændt, fordi vi tydeligt kunne se spinpolarisering, når cobaltoxidspineller blev erstattet med nikkel. Det er et godt tegn, "sagde han." Vi ser, at en bestemt konfiguration har en højere opdeling i båndgabet, noget, der er overraskende, og vi er nødt til at undersøge nærmere. Og alle kalibreringerne konvergerer, hvilket viser, at de er pålidelige. "

Når han har identificeret det optimale materiale til omdannelse af spildvarme, Koneru håber at konstruere en pasta, der kan påføres et køretøjs udstødningsrør, omdannelse af spildvarme til elektricitet for at drive en bils elektriske systemer. Han vurderer, at en sådan enhed kan koste mindre end $ 500 pr. Køretøj og kan reducere drivhusgasemissioner med hundredvis af millioner tons årligt.

"Med de seneste fremskridt inden for nanofabrikation, og beregningsmæssige kalibreringer for nanomaterialer, spin-termiske materialer kan spille en afgørende rolle i energiomdannelsen i fremtiden, " han sagde.

TACC gør det muligt for Koneru at gennemgå et stort antal mulige materialekonfigurationer, så når det er tid til at teste dem eksperimentelt, antallet af kandidater vil være overskueligt.

"TACC er et meget nyttigt system med personale, der kan vejlede dig, hvis der opstår problemer, "Sagde Koneru." Hvis fakultetet eller de studerende er interesseret i forskning, der kræver beregningsfaciliteter, TACC er den rigtige mulighed at vælge. Det giver ressourcer og ekspertise gratis. Det er en stor mulighed for alt, hvad du brænder for. "

"Det er vores mission at opmuntre forskere over hele staten til at bruge TACC-ressourcer til at gøre fantastiske opdagelser, som ikke kan gøres i laboratoriet eller ved hjælp af lokale klynger, " sagde TACC's Ari Khan. "Dr. Konerus forskning er et godt eksempel på et sådant projekt, der kan have stor indflydelse på luftforurening og global opvarmning. "