Forskere efterlyser fornyet fokus på termoelektrisk køling

Næsten 200 år efter, at den franske fysiker Jean Peltier opdagede, at elektrisk strøm, der strømmer gennem krydset mellem to forskellige metaller, kunne bruges til at producere en opvarmnings- eller køleeffekt, forskere fortsætter med at søge efter nye termoelektriske materialer, der kan bruges til elproduktion.

Forskere skriver i Naturmaterialer , imidlertid, sige, at det er på tide at intensivere indsatsen for at finde nye materialer til termoelektrisk køling.

Bismuth tellurforbindelser er blevet brugt til termoelektrisk køling i mere end 60 år, og forskerne siger, at det faktum, at der allerede er en kommerciel efterspørgsel efter teknologien, tyder på, at bedre materialer kan udvide markedet.

"Det meste arbejde er fokuseret på højtemperaturmaterialer til elproduktion, men der er ikke noget marked der endnu, " sagde Zhifeng Ren, direktør for Texas Center for Superconductivity ved University of Houston og tilsvarende forfatter til papiret. "Køling er et eksisterende marked, et milliard dollar marked, og der har ikke været store fremskridt med materialer."

Han og medforfatterne Jun Mao, en forsker ved TcSUH, og Gang Chen, en maskiningeniør og nanoteknolog ved Massachusetts Institute of Technology, efterlyse øget fokus på udvikling af nye avancerede materialer, der virker ved eller nær stuetemperatur.

De tre var en del af en gruppe, der i 2019 rapporterede i bladet Videnskab et nyt materiale, der fungerer effektivt ved stuetemperatur, mens det næsten ikke kræver dyrt tellur, en vigtig bestanddel af det nuværende topmoderne materiale.

Materialet, består af magnesium og vismut, var næsten lige så effektivt som det traditionelle vismut-tellur materiale. Arbejdet med at forbedre materialet er i gang, sagde Ren.

Termoelektriske materialer virker ved at udnytte strømmen af ​​varmestrøm fra et varmere område til et køligere område, giver en emissionsfri energikilde. Materialerne kan bruges til at vende spildvarme fra kraftværker, biludstødningsrør og andre kilder - til elektricitet, og en række nye materialer er blevet rapporteret til den applikation, hvilket kræver, at materialer yder ved højere temperaturer.

Termoelektriske kølemoduler har været en større udfordring, fordi de skal arbejde nær stuetemperatur, gør det sværere at opnå en høj termoelektrisk værdi, en metrik, der bruges til at bestemme, hvor effektivt et materiale fungerer. Termoelektriske materialer, der bruges til elproduktion, opnår lettere en høj værdi, fordi de fungerer ved højere temperaturer - ofte omkring 500 Celsius, eller omkring 930 Fahrenheit.

Men der er også fordele ved termoelektriske køleanordninger:de er kompakte, fungerer lydløst og kan næsten øjeblikkeligt skifte mellem opvarmning og køling, tillader præcis temperaturkontrol. De fungerer også uden at generere ozonskadelige drivhusgasser.

De bruges hovedsageligt til små applikationer, herunder transport af medicinske forsyninger og kølelaserdioder.

"For store køleanordninger, en kompressor er stadig mere effektiv, " sagde Ren, som også er M.D. Anderson Chair Professor of Physics. "Til mindre systemer eller til enhver køleapplikation, der kræver meget præcis temperaturstyring, almindelig kompressordrevet køling er ikke så god."

Men opdagelsen af ​​nye og bedre materialer kunne udvide markedet.

"Hvis du kan finde materialer med en højere fortjeneste, du kan have en meget konkurrencedygtig ydeevne til køleskabe eller endda aircondition, " sagde Ren. "Det er der ikke endnu, men jeg kan ikke se, hvorfor det ikke kan være i fremtiden."