Termoelektrik:Fra varme til elektricitet

Meget varme går tabt under omdannelsen af ​​energi. Skøn anslår det endda til mere end 70%. Men i termoelektriske materialer, som dem, der studeres ved Institute of Solid State Physics ved TU Wien, kan varme omdannes direkte til elektrisk energi. Denne effekt (Seebeck-effekten) kan bruges i adskillige applikationer i industrien, men også i hverdagen.

For nylig gjorde Ernst Bauers forskerhold en spændende opdagelse i et termoelektrisk materiale bestående af jern, vanadium og aluminium (Fe₂ VAl). Forskerne har for nylig offentliggjort deres resultater i Nature Communications .

Den ideelle termoelektriske

For at opnå størst mulig energiomdannelseseffekt leder forskerne efter materialer, der opfylder en række egenskaber:De skal have en stor Seebeck-effekt, høj elektrisk ledningsevne og lav varmeledningsevne. Dette er dog ekstremt vanskeligt, fordi disse egenskaber er indbyrdes forbundne og indbyrdes afhængige. Derfor spurgte forskerne sig selv, hvordan et materiale skulle se ud fysisk for at opfylde alle disse betingelser bedst muligt.

Det er således lykkedes fysikere ved TU Wien at finde et nyt koncept til at løse denne modsætning og optimere alle termoelektriske egenskaber i ét materiale på samme tid. "Ved den såkaldte Anderson-overgang, en kvantefaseovergang fra lokaliserede til mobile elektrontilstande, er betingelserne for den ideelle termoelektriske opfyldt. Det betyder, at alle ledningselektroner har omtrent samme energi," rapporterer Fabian Garmroudi, førsteforfatter af studere.

Anderson-overgangen sker i halvledere, når urenhedsatomer tilsættes, hvilket binder deres elektroner stærkt. "Analogt med isflager i havet er disse i starten isoleret fra hinanden og kan ikke trædes på. Men hvis antallet af isflager er stort nok, har du en kontinuerlig forbindelse, hvorigennem du kan krydse havet," Fabian Garmroudi drager en sammenligning. Dette sker på lignende måde i faste stoffer:Hvis antallet af urenhedsatomer overstiger en kritisk værdi, kan elektronerne pludselig bevæge sig frit fra et atom til et andet, og elektricitet kan flyde.

Atomer bytter plads, når det bliver varmt

Anderson-overgangen blev demonstreret i tæt samarbejde med forskere fra Sverige og Japan samt Universitetet i Wien, og var for første gang forbundet med en væsentlig ændring i termoelektriske egenskaber. Holdet gjorde den spændende opdagelse, da de opvarmede materialet til meget høje temperaturer, tæt på smeltepunktet.

"Ved høje temperaturer vibrerer atomerne så kraftigt, at de af og til skifter gitterpositioner. For eksempel er jernatomer så placeret, hvor vanadiumatomer var før. Det lykkedes os at fryse denne 'atomforvirring', som opstår ved høje temperaturer, ved bl.a. -kaldet 'quenching', det vil sige hurtig afkøling i et vandbad,« beretter Ernst Bauer. Disse uregelmæssige defekter tjener nøjagtigt det samme formål som de tidligere nævnte urenhedsatomer, uden at det er nødvendigt at ændre materialets kemiske sammensætning.

Energikonvertering takket være uorden

I mange forskningsområder inden for faststoffysik er man interesseret i materialer, der er så rene som muligt og har en ideel krystalstruktur. Årsagen:atomernes regelmæssighed forenkler en teoretisk beskrivelse af de fysiske egenskaber. I tilfælde af Fe₂ VAl er det dog netop ufuldkommenhederne, der står for det meste af den termoelektriske ydeevne. Det har også allerede vist sig i nabodiscipliner, at uregelmæssigheder kan være fordelagtige:"Det er grundforskning i kvantematerialer et godt eksempel på. Der har videnskaben allerede kunnet påvise, at uorden ofte er det nødvendige krydderi i "kvantesuppen" ," siger Andrej Pustogow, en af ​​medforfatterne. "Nu er dette koncept også ankommet til anvendt solid-state forskning." + Udforsk yderligere

Arsen hjælper med at gøre sort fosfor stabil for energieffektivitet