Nyt materiale slår verdensrekord for at omdanne varme til elektricitet

En ny type materiale genererer elektrisk strøm meget effektivt fra temperaturforskelle. Dette giver sensorer og små processorer mulighed for at forsyne sig selv med energi trådløst.

Termoelektriske materialer kan omdanne varme til elektrisk energi. Dette skyldes den såkaldte Seebeck-effekt:Hvis der er en temperaturforskel mellem de to ender af et sådant materiale, elektrisk spænding kan genereres, og strøm kan begynde at flyde. Mængden af ​​elektrisk energi, der kan genereres ved en given temperaturforskel, måles ved den såkaldte ZT-værdi:Jo højere ZT-værdien af ​​et materiale er, jo bedre dens termoelektriske egenskaber.

Den hidtil bedste termoelektriske værdi blev målt ved ZT -værdier på omkring 2,5 til 2,8. Det er nu lykkedes forskere ved TU Wien (Wien) at udvikle et helt nyt materiale med en ZT -værdi på 5 til 6. Det er et tyndt lag jern, vanadium, wolfram og aluminium påført en siliciumkrystal.

Det nye materiale er så effektivt, at det kan bruges til at levere energi til sensorer eller endda små computerprocessorer. I stedet for at tilslutte små elektriske enheder til kabler, de kunne producere deres egen elektricitet fra temperaturforskelle. Det nye materiale er nu blevet præsenteret i tidsskriftet Natur .

Elektricitet og temperatur

"Et godt termoelektrisk materiale skal vise en stærk Seebeck -effekt, og den skal opfylde to vigtige krav, der er vanskelige at forene, "siger professor Ernst Bauer fra Institute of Solid State Physics på TU Wien." På den ene side det bør lede elektricitet så godt som muligt; på den anden side, det skal transportere varme så dårligt som muligt. Dette er en udfordring, fordi elektrisk ledningsevne og varmeledningsevne normalt er nært beslægtede. "

På Christian Doppler Laboratory for Thermoelectricity, som Ernst Bauer etablerede på TU Wien i 2013, forskellige termoelektriske materialer til forskellige anvendelser er blevet undersøgt i løbet af de sidste par år. Denne forskning har nu ført til opdagelsen af ​​et særligt bemærkelsesværdigt materiale - en kombination af jern, vanadium, wolfram og aluminium.

"Atomer i dette materiale er normalt arrangeret i et strengt regelmæssigt mønster i et såkaldt ansigtscentreret kubisk gitter, "siger Ernst Bauer." Afstanden mellem to jernatomer er altid den samme, og det samme gælder for de andre typer atomer. Hele krystallen er derfor helt regelmæssig. "

Imidlertid, når et tyndt lag af materialet påføres silicium, der sker noget fantastisk:strukturen ændrer sig radikalt. Selvom atomerne stadig danner et kubisk mønster, de er nu arrangeret i en rumcentreret struktur, og fordelingen af ​​de forskellige typer atomer bliver helt tilfældig. "To jernatomer kan sidde ved siden af ​​hinanden, stederne ved siden af ​​dem kan være besat af vanadium eller aluminium, og der er ikke længere nogen regel, der dikterer, hvor det næste jernatom skal findes i krystallen, "forklarer Bauer.

Denne blanding af regelmæssighed og uregelmæssighed i atomarrangementet ændrer også den elektroniske struktur, som bestemmer, hvordan elektroner bevæger sig i det faste stof. "Den elektriske ladning bevæger sig gennem materialet på en særlig måde, så den er beskyttet mod spredningsprocesser. De dele af gebyr, der rejser gennem materialet, kaldes Weyl Fermions, "siger Ernst Bauer. På denne måde, opnås en meget lav elektrisk modstand.

Gitter vibrationer, på den anden side, som transporterer varme fra steder med høj temperatur til steder med lav temperatur, hæmmes af uregelmæssighederne i krystalstrukturen. Derfor, varmeledningsevne falder. Dette er vigtigt, hvis elektrisk energi skal genereres permanent fra en temperaturforskel - for hvis temperaturforskelle kunne ækvilibreres meget hurtigt, og hele materialet snart ville have den samme temperatur overalt, den termoelektriske effekt ville gå i stå.

Elektricitet til tingenes internet

"Selvfølgelig, et sådant tyndt lag kan ikke generere en særlig stor mængde energi, men det har den fordel, at det er ekstremt kompakt og fleksibelt, "siger Ernst Bauer." Vi vil bruge det til at levere energi til sensorer og små elektroniske applikationer. "Efterspørgslen efter sådanne små generatorer vokser hurtigt:I" tingenes internet, "flere og flere enheder er knyttet sammen online, så de automatisk koordinerer deres adfærd med hinanden. Dette er særligt lovende for fremtidige produktionsanlæg, hvor en maskine skal reagere dynamisk på en anden.

"Hvis du har brug for et stort antal sensorer på en fabrik, du kan ikke koble dem alle sammen. Det er meget smartere for sensorerne at kunne generere deres egen strøm ved hjælp af en lille termoelektrisk enhed, "siger Bauer.