Kvantfysikere omdanner spildvarme til magt

(PhysOrg.com) - Fysikere fra University of Arizona har opdaget en ny måde at høste spildvarme på og gøre det til elektrisk strøm. Udnytter kvanteeffekter, teknologien har et stort løfte om at lave biler, kraftværker, fabrikker og solpaneler mere effektive.

Hvad gør en bilmotor, et kraftværk, en fabrik og et solcellepanel har tilfælles? De genererer alle varme - hvoraf meget er spildt.

Fysikere fra University of Arizona har opdaget en ny måde at høste spildvarme på og gøre det til elektrisk strøm.

Ved hjælp af en teoretisk model af en såkaldt molekylær termoelektrisk enhed, teknologien har et stort løfte om at lave biler, kraftværker, fabrikker og solpaneler mere effektive, for at nævne et par mulige applikationer. Ud over, mere effektive termoelektriske materialer ville gøre ozonnedbrydende chlorfluorcarboner, eller CFC'er, forældet.

Forskningsgruppen ledet af Charles Stafford, lektor i fysik, offentliggjorde sine resultater i septembernummeret af det videnskabelige tidsskrift, ACS Nano .

"Termoelektricitet gør det muligt rent rent at omdanne varme direkte til elektrisk energi i en enhed uden bevægelige dele, "sagde hovedforfatter Justin Bergfield, en doktorand i UA College of Optical Sciences.

"Vores kolleger på området fortæller os, at de er ret sikre på, at de enheder, vi har designet på computeren, kan bygges med de egenskaber, vi ser i vores simuleringer."

"Vi forventer, at den termoelektriske spænding ved hjælp af vores design er omkring 100 gange større end hvad andre har opnået i laboratoriet, "Tilføjede Stafford.

Fangst af den energi, der går tabt gennem spildvarme, har været på ingeniørernes ønskeliste i lang tid, men, indtil nu, et koncept til udskiftning af eksisterende enheder, der er både mere effektivt og økonomisk konkurrencedygtigt, har manglet.

I modsætning til eksisterende varmekonverteringsenheder, såsom køleskabe og dampturbiner, apparaterne fra Bergfield og Stafford kræver ingen mekanik og ingen ozonlagsnedbrydende kemikalier. I stedet, en gummilignende polymer klemt mellem to metaller, der fungerer som elektroder, kan gøre tricket.

Bil eller fabriks udstødningsrør kan være belagt med materialet, mindre end en milliontedel af en tomme tyk, at høste energi, der ellers går tabt som varme og generere elektricitet.

Fysikerne drager fordel af kvantfysikkens love, et rige, der ikke typisk blev udnyttet ved konstruktion af elproduktionsteknologi. Til de uindviede, kvantfysikkens love ser ud til at flyve i lyset af, hvordan tingene "skal" opføre sig.

Nøglen til teknologien ligger i en kvantelov, fysikere kalder bølge-partikel-dualitet:Små objekter som elektroner kan opføre sig enten som en bølge eller som en partikel.

"I en vis forstand, en elektron er som en rød sportsvogn, "Bergfield sagde." Sportsvognen er både en bil, og den er rød, ligesom elektronen både er en partikel og en bølge. De to er egenskaber ved det samme. Elektroner er bare mindre indlysende for os end sportsbiler. "

Bergfield og Stafford opdagede potentialet for at omdanne varme til elektricitet, da de studerede polyfenylethere, molekyler, der spontant aggregerer i polymerer, lange kæder af gentagne enheder. Rygraden i hvert polyphenylethermolekyle består af en kæde af benzenringe, som igen er bygget af kulstofatomer. Kædeledstrukturen for hvert molekyle fungerer som en "molekylær ledning", hvorigennem elektroner kan bevæge sig igennem.

"Vi havde begge arbejdet med disse molekyler før og tænkte på at bruge dem til en termoelektrisk enhed, "Sagde Bergfield, "men vi havde ikke rigtig fundet noget særligt ved dem, før Michelle Solis, en kandidat, der arbejdede på uafhængig undersøgelse i laboratoriet, opdagede, at lavt og se, disse ting havde en særlig egenskab. "

Ved hjælp af computersimuleringer, Bergfield "voksede" derefter en skov af molekyler klemt mellem to elektroder og udsatte arrayet for en simuleret varmekilde.

"Når du øger antallet af benzenringe i hvert molekyle, du øger den genererede effekt, "Sagde Bergfield.

Hemmeligheden bag molekylernes evne til at omdanne varme til magt ligger i deres struktur:Som vand, der når en gaffel i en flod, elektronstrømmen langs molekylet deles i to, når den støder på en benzenring, med en strøm af elektroner, der følger langs hver arm af ringen.

Bergfield designede benzenringskredsløbet på en sådan måde, at elektronen på den ene vej er tvunget til at tilbagelægge en længere afstand omkring ringen end den anden. Dette får de to elektronbølger til at være ude af fase, når de genforenes, når de når den yderste side af benzenringen. Når bølgerne mødes, de annullerer hinanden i en proces kendt som kvanteinterferens. Når der placeres en temperaturforskel på tværs af kredsløbet, denne afbrydelse i strømmen af ​​elektrisk ladning fører til opbygning af et elektrisk potentiale - spænding - mellem de to elektroder.

Wave interferens er et koncept, der udnyttes af støjreducerende hovedtelefoner:Indgående lydbølger mødes med modbølger genereret af enheden, udslette den krænkende støj.

"Vi er de første til at udnytte elektronens bølgetype og udvikle et koncept, der gør det til brugbar energi, "Sagde Stafford.

Analog til solid state versus spinning harddisk type computerhukommelse, de UA-designede termoelektriske enheder kræver ingen bevægelige dele. Af design, de er selvstændige, lettere at fremstille og lettere at vedligeholde i forhold til i øjeblikket tilgængelig teknologi.

"Du kan bare tage et par metalelektroder og male dem med et enkelt lag af disse molekyler, "Sagde Bergfield." Det ville give dig en lille sandwich, der ville fungere som din termoelektriske enhed. Med en solid state-enhed har du ikke brug for kølemidler, du behøver ikke flydende nitrogenforsendelser, og du behøver ikke at foretage meget vedligeholdelse. "

"Man kan sige, i stedet for Freon gas, vi bruger elektrongas, "Tilføjede Stafford.

"De effekter, vi ser, er ikke unikke for de molekyler, vi brugte i vores simulering, "Sagde Bergfield." Enhver kvanteskalaenhed, hvor du har en annullering af elektrisk ladning, vil gøre tricket, så længe der er en temperaturforskel. Jo større temperaturforskel, jo mere strøm du kan generere. "

Molekylære termoelektriske enheder kan hjælpe med at løse et problem, der i øjeblikket plager fotovoltaiske celler, der høster energi fra sollys.

"Solpaneler bliver meget varme, og deres effektivitet falder, "Stafford sagde." Du kan høste noget af den varme og bruge den til at generere yderligere elektricitet, samtidig med at den afkøler panelet og gør sin egen fotovoltaiske proces mere effektiv. "

"Med en meget effektiv termoelektrisk enhed baseret på vores design, du kunne drive omkring 200 100-Watt pærer ved hjælp af spildvarmen i en bil, "sagde han." Sagt på en anden måde, man kunne øge bilens effektivitet med langt over 25 procent, hvilket ville være ideelt til en hybrid, da den allerede bruger en elektrisk motor. "

Så, næste gang du ser en rød sportsvogn lynlåse forbi, tænk på elektronens skjulte kraft, og hvor meget mere effektiv den sportsvogn kunne være med en termoelektrisk enhed viklet omkring sit udstødningsrør.