Mini-elektricitetsgenerator lavet af kvanteprikker

Maskiner og elektroniske enheder genererer ofte spildvarme, som er svær at udnytte. Hvis der kunne genereres elektricitet fra denne spildvarme, ville det tilbyde et middel til en ren og bæredygtig elproduktion:En sådan teknologi ville være ideel til elektronikapplikationer med lav effekt såsom wearables eller billige Internet-of-Things-enheder. Dette inkluderer for eksempel bærbare (medicinske) enheder og sensorer med en bred vifte af applikationer i sundheds- og sportsindustrien, i smarte bygninger og mobilitetsapplikationer.

Termoelektriske generatorer, maskiner, der genererer elektricitet ved at udnytte temperaturforskelle, findes allerede, men deres konverteringseffektivitet er generelt lav, og der produceres kun lidt elektricitet. At generere mere elektricitet ville kræve materialer, der samtidig har høj elektrisk ledningsevne og lav varmeledningsevne. Disse to krav udelukker dog ofte hinanden.

Kvanteprikker som en løsning

I de sidste par år har adskillige forskningsgrupper verden over vist, at termoelektrisk konvertering kan forbedres meget ved at udnytte kvanteeffekter. For eksempel, ved at bruge kvanteprikker, der fungerer som meget selektive energifiltre, er der rapporteret om drastiske stigninger i konverteringseffektiviteten, nogle endda nærmer sig nogle af de grænser, der er fastsat af termodynamikkens love. Problemet:Kvantemaskinerne, også kaldet kvantevarmemotorer, skal køles ned til temperaturer et par grader over det absolutte nulpunkt – så sådan noget er næppe brugbart i hverdagen.

Forskere ved Empa kan muligvis overvinde dette problem og skabe en kvantevarmemotor, der fungerer ved stuetemperatur. Mickael L. Perrin, en forsker i Empa's Transport ved Nanoscale lab ledet af Michel Calame, kom op med ideen om at bruge grafen nanobånd - som er en Empa-specialitet. De allerførste grafen nanobånd blev syntetiseret af en anden forskergruppe hos Empa:Roman Fasel og hans kolleger på Empas Nanotech@Surfaces laboratorium. I flere år nu har Empa-forskerne arbejdet på forskellige tilgange til at skabe elektroniske enheder ud fra sådanne nanobånd.

Drift ved stuetemperatur ved hjælp af grafen nanobånd

Mickael L. Perrin var i stand til at få grafen nanobånd til at opføre sig som kvanteprikker før, hvor nogle af dem var stabile op til en temperatur på -123 grader Celsius, altså ved meget højere temperaturer end de kvanteprikker, der før blev brugt til termoelektrisk konvertering. Nu er målet at integrere sådanne grafen nanobånd i en kvantevarmemotor og få den til at fungere ved stuetemperatur. Da nanobåndene kun er nogle få nanometer store, vil kontakt til dem kræve udvikling af specielle fremstillingsteknikker, som vil blive implementeret på Binnig og Rohrer Nanotechnology Center i IBM Research Center i Rüschlikon. Desuden vil der være behov for specialdesignede målesystemer til at karakterisere energikonverteringseffektiviteten.

Hvis alt går som planlagt, kan Perrin skabe en lillebitte varmemotor på en chip i de kommende år. Ikke alene kunne den generere elektricitet fra spildvarme, men omvendt ville den ved at vende driftsprincippet være velegnet til effektiv køling.

Med sine to succesfulde forskningsstipendier vil Mickael L. Perrin i løbet af de næste par måneder starte sit adjunkt ved ETH Zürich, i Institut for Informationsteknologi og Elektroteknik. I løbet af de næste år vil han fortsætte sin forskning hos Empa, hvor state-of-the-art udstyr er tilgængeligt til termoelektrisk karakterisering af kvantevarmemotorer.

Forhåbentlig kun en midlertidig løsning

Finansieringen til Perrins projekt kommer fra SNSF og Statssekretariatet for Uddannelse, Forskning og Innovation (SERI). Grundet den fejlslagne rammeaftale mellem Schweiz og EU er Schweiz udelukket fra det nuværende europæiske forskningsprogram, Horizon Europe. For at træde til finansieres ERC Starting-stipendier direkte af SERI i år. Dette er den eneste måde at holde højt talentfulde unge forskere i Schweiz. For at modtage de tildelte midler direkte fra EU skulle Mickael L. Perrin og de andre 27 bevillingsmodtagere fra Schweiz flytte til et udenlandsk universitet, der er en del af det europæiske forskningsrum. + Udforsk yderligere

Ny teknoøkonomisk model optimerer spildvarmekonverteringsteknologier