Konvertering af spildvarme til elektricitet

Bruce White arbejdede med halvledere og transistorer hos Motorola og Texas Instruments. Men da han forlod industrien for en stilling på Binghamton Universitys fakultet, materialeforskeren besluttede at tage sin forskning i en ny retning. "Jeg ville ikke bare fortsætte med at arbejde på transistorer og hukommelse, White siger. "Jeg ville prøve at anvende disse værktøjer til store problemer, der påvirker samfundet."

Energi er et af de store problemer; i USA, mere end halvdelen af ​​den energi, vi forbrænder hvert år, går tabt som varme i stedet for at blive brugt.

"Vi gør alt dette arbejde for at få olie ud af jorden og for at raffinere den, men når vi prøver at arbejde med det, det meste af energien går ud af en bils udstødningsrør eller ud af skorstenen på et kraftværk, " siger White. "Selv om vi kunne genvinde en lille brøkdel af det, vi smider væk som varme, det ville have en betydelig indflydelse på vores energiforbrug."

Der er måder at omdanne varme til elektricitet. Hvis et materiale er varmt på den ene side og koldt på den anden, varmestrømmen fra varmt til koldt kan omdannes til elektricitet. Men de fleste af de termoelektriske materialer på markedet i dag er ikke særlig gode til at gøre det. Den vanskelige del, White siger, får varmen til at strømme gennem materialet på ryggen af ​​elektroner. I de fleste materialer, varmen flyder i en bølge, der simpelthen får materialets atomer til at vibrere hurtigere. Det er ikke et nyttigt fænomen, og det ender med at ødelægge den vigtige varme-kolde differentiale. I mange materialer, atomernes vibration fjerner 90 procent af varmen, før den kan udnyttes.

Whites mål er at skabe materialer, hvor vibrationseffekterne er minimeret – eller, med andre ord, hvor en større procentdel af varmen bliver transporteret af elektroner, skabe en strøm af elektricitet. Han mener også, at det er vigtigt at sikre sig, at disse materialer er rigelige og ugiftige.

White kan have fundet en kandidat i zinkoxid, et stof, der bruges i mange mærker af solcreme. Zinkoxid er rigeligt, billigt og sikkert, og den er tilfældigvis rigtig god til at flytte elektroner rundt. Desværre, i sin normale tilstand, zinkoxid har en molekylær struktur, der transporterer varme ved at vibrere atomer i stedet for at omdanne den til elektricitet.

Ved at manipulere zinkoxid på molekylært niveau, White og hans kolleger er i stand til at gøre det bedre til at producere elektricitet. Først, de strækker materialet til ledninger, der måler 50 nanometer på tværs. (Det er cirka 10, 000 gange tyndere end et menneskehår.) Den utrolige tyndhed ændrer den måde, varme spredes gennem materialet. Næste, de indlejrer nanotrådene i en silica aerogel, et stof, der er forfærdeligt til at lede varme. På grund af de interessante og unikke interaktioner, der forekommer i meget små skalaer, nanotråde kan påtage sig egenskaberne af omgivende materialer. I dette tilfælde, ledningerne blev meget dårlige varmeledere. Deres evne til at lede varme gennem atomare vibrationer faldt med en faktor på 10, så deres effektivitet i at omdanne varme til elektricitet skød op. Resultaterne blev offentliggjort i april 2013 i Anvendt fysik bogstaver , det bedste tidsskrift på området.

Hvad er særligt spændende ved denne opdagelse, White siger, er, at materialerne i ledningerne og aerogelen kan blandes og matches for at tilpasse de termoelektriske egenskaber til forskellige applikationer - såsom udnyttelse af spildvarme fra et kraftværk, bil eller husholdningsovn. Da aerogeler er næsten gennemsigtige, White forestiller sig endda at lave vinduesbelægninger, der udnytter indendørs kontra udendørs temperaturforskelle til at generere elektricitet.

Med de rigtige materialer, det kan være muligt at eliminere forbrændingsmotoren helt. White og hans laboratoriemedlemmer tror, ​​de kan have en måde at gøre det på. Det hele kommer ned til silicium, som er en fremragende halvleder – det er derfor vores elektroniske enheder er siliciumbaserede – men er også rigtig god til at lede varme via atomare vibrationer. Whites gruppe slipper af med disse vibrationer ved at bygge en silicium-tin-komposit ved hjælp af en ny fremstillingsteknik, der vokser materialet lag for lag.

Arbejdet fangede opmærksomheden fra Naval Research Office, som giver finansiering til Whites forskning. "Det er hans fremstillingsmetode, der virkelig gør det anderledes, " siger Robert Walters, leder af Naval Research Laboratory's Solid State Devices Branch. "Bruce har udviklet fremstillingsteknikken, som vi føler faktisk vil opnå den lagdelte silicium-tin-struktur, som vi mener, vi virkelig skal have for at afkoble siliciums termiske og elektriske egenskaber. … Det er en meget god idé. Det er innovativt, og det er anderledes end andre ting, vi har set."

Det nye kompositmateriale har en termisk ledningsevne på 1, 000 gange lavere end almindeligt silicium. Gruppen håber at gøre det tre gange lavere ved at gøre krystallen renere og mere jævnt mønstret. Hvis den termiske ledningsevne bliver så lav, materialet ville være så godt til at omdanne varme til elektricitet, at det kunne drive en bil med afbrænding af en flamme.

Det er langt ude i fremtiden, selvom. Mens de arbejder på at forfine de materialer, de allerede har udviklet, Whites gruppe er på randen af ​​at skabe mindre ekstreme materialer, der stadig kan have stor indflydelse. Varmeudnyttende materialer, som kunne eftermonteres på en bils udstødningsrør eller køler, kunne snart generere nok elektricitet til at drive bilens elektronik. "Alene det kunne øge brændstofeffektiviteten med et par miles per gallon, White siger. "Når du tænker på at integrere det over hele bilparken, det gør en kæmpe forskel."