Reverse engineering materialer for mere effektiv opvarmning og køling

Hvis du nogensinde har taget en tur i en luksusbil og mærket din ryg blive varmet eller afkølet af et sædebaseret klimakontrolsystem, så har du sandsynligvis oplevet fordelene ved en klasse af materialer kaldet termoelektrik. Termoelektriske materialer omdanner varme til elektricitet, og omvendt, og de har mange fordele i forhold til mere traditionelle varme- og kølesystemer.

For nylig, forskere har observeret, at ydeevnen af ​​nogle termoelektriske materialer kan forbedres ved at kombinere forskellige faste faser - mere end ét materiale blandet som fedt- og kødklumperne i en skive salami. Observationerne giver det fristende udsigt til at øge termoelektriske energieffektivitet markant, men videnskabsmænd mangler stadig værktøjer til fuldt ud at forstå, hvordan hovedegenskaberne opstår ud af kombinationer af faste faser.

Nu har et forskerhold baseret på California Institute of Technology (Caltech) udviklet en ny måde at analysere de elektriske egenskaber af termoelektriske stoffer, der har to eller flere faste faser. Den nye teknik kan hjælpe forskerne med bedre at forstå flerfasede termoelektriske egenskaber - og give tips til, hvordan man designer nye materialer for at få de bedste egenskaber.

Holdet beskriver deres nye teknik i et papir offentliggjort i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver .

En gammel teori gør 180

Fordi det nogle gange er svært at fremstille de rene komponenter, der udgør flerfasede materialer, separat, forskere kan ikke altid måle de rene fase egenskaber direkte. Caltech-teamet overvandt denne udfordring ved at udvikle en måde at beregne de elektriske egenskaber af individuelle faser, mens de kun eksperimenterede direkte med kompositten.

"Det er som om du har lavet chokoladekager, og du vil vide, hvordan chokoladechipsene og dejen smager af sig selv, men du kan ikke, fordi hver bid du tager har både chokoladechips og dej, " sagde Jeff Snyder, en forsker ved Caltech, der har specialiseret sig i termoelektriske materialer og enheder.

For at adskille "chips" og "dej" uden at afbage kagen, Snyder og hans kolleger vendte sig til en årtier gammel teori, kaldet effektiv medium teori, og de gav det et nyt twist.

"Effektiv medium teori er ret gammel, " sagde Tristan Day, en kandidatstuderende i Snyders Caltech-laboratorium og førsteforfatter på APL-papiret. Teorien bruges traditionelt til at forudsige egenskaberne for en bulkkomposit baseret på egenskaberne for de enkelte faser. "Det nye ved det, vi gjorde, er, at vi tog en komposit, og bakkede derefter egenskaberne af hver bestanddel fase ud, " sagde Dag.

Nøglen til at få vendingen til at fungere ligger i den forskellige måde, at hver del af et komposit termoelektrisk materiale reagerer på et magnetfelt. Ved at måle visse elektriske egenskaber over en række forskellige magnetiske feltstyrker, forskerne var i stand til at pirre de to forskellige fasers indflydelse fra hinanden.

Holdet testede deres metode på den meget undersøgte termoelektriske Cu1.97 Ag0.03Se, som består af en hovedkrystalstruktur af Cu2Se og en urenhedsfase med krystalstrukturen af ​​CuAgSe.

Fremtidens temperaturkontrol?

Termoelektriske materialer bruges i øjeblikket i mange nicheapplikationer, inklusive autostole med aircondition, vinkølere, og medicinske køleskabe, der bruges til at opbevare temperaturfølsom medicin.

"De klare fordele ved at bruge termoelektriske komponenter er, at der ikke er nogen bevægelige dele i kølemekanismen, og du behøver ikke have de samme temperaturudsving, der er typiske for et kompressorbaseret køleskab, der tænder hver halve time, rasler lidt og slukker så, sagde Snyder.

En af ulemperne ved de termoelektriske kølesystemer, imidlertid, er deres energiforbrug.

Hvis det bruges på samme måde som et kompressorbaseret kølesystem, de fleste kommercielle termoelektriske apparater ville kræve cirka 3 gange mere energi for at levere den samme køleeffekt. Teoretisk analyse tyder på, at termoelektrisk energieffektivitet kunne forbedres væsentligt, hvis de rigtige materialekombinationer og strukturer blev fundet, og det er et område, hvor Synder og hans kollegers nye beregningsmetoder kan hjælpe.

Mange af ydeevnefordelene ved flerfaset termoelektrik kan komme fra kvanteeffekter genereret af strukturer i mikro- og nanoskala. Caltech-forskernes beregninger gør klassiske antagelser, men Snyder bemærker, at uoverensstemmelser mellem beregningerne og de observerede egenskaber kunne bekræfte nanoskalaeffekter.

Snyder påpeger også, at mens termoelektrik kan være mindre energieffektiv end kompressorer, deres lille størrelse og alsidighed betyder, at de kan bruges på smartere måder til at reducere energiforbruget. For eksempel, termoelektrisk-baserede varmeapparater eller kølere kan placeres i strategiske områder omkring en bil, såsom sæde og rat. De termoelektriske systemer ville skabe en følelse af varme eller kølighed for føreren uden at forbruge energien til at ændre temperaturen i hele kabinen.

"Jeg ved ikke med dig, men når jeg er utilpas i en bil, er det fordi jeg sidder på et varmt sæde og min bagdel er varm, " sagde Snyder. "I princippet, 100 watt køling på en autostol kunne erstatte 1000 watt i kabinen."

Ultimativt, teamet vil gerne bruge deres nye viden om termoelektrik til at specialdesigne 'smarte' materialer med de rigtige egenskaber til enhver bestemt anvendelse.

"Vi har det meget sjovt, fordi vi tænker på os selv som materialeingeniører med det periodiske system og mikrostrukturer som vores legepladser, " sagde Snyder.