Zelfs in de zuinigste auto's, ongeveer 60 procent van de totale energie van benzine gaat verloren door warmte in de uitlaatpijp en radiator. Om dit tegen te gaan, onderzoekers ontwikkelen nieuwe thermo-elektrische materialen die warmte kunnen omzetten in elektriciteit. Deze halfgeleidende materialen kunnen elektriciteit terug in het voertuig recirculeren en het brandstofverbruik tot 5 procent verbeteren.

De uitdaging is, huidige thermo-elektrische materialen voor het terugwinnen van restwarmte zijn erg duur en tijdrovend om te ontwikkelen. Een van de modernste materialen, gemaakt van een combinatie van hafnium en zirkonium (elementen die het meest worden gebruikt in kernreactoren), duurde 15 jaar vanaf de eerste ontdekking tot geoptimaliseerde prestaties.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een algoritme ontwikkeld dat deze materialen in een kwestie van maanden kan ontdekken en optimaliseren, gebaseerd op het oplossen van kwantummechanische vergelijkingen, zonder enige experimentele input.

"Deze thermo-elektrische systemen zijn erg ingewikkeld, " zei Boris Kozinsky, een onlangs aangestelde universitair hoofddocent Computational Materials Science bij SEAS en senior auteur van het artikel. "Halfgeleidende materialen moeten zeer specifieke eigenschappen hebben om in dit systeem te werken, inclusief hoge elektrische geleidbaarheid, hoge thermokracht, en lage thermische geleidbaarheid, zodat al die warmte wordt omgezet in elektriciteit. Ons doel was om een ​​nieuw materiaal te vinden dat voldoet aan alle belangrijke eigenschappen voor thermo-elektrische conversie en dat tegelijkertijd stabiel en goedkoop is."

Kozinsky was co-auteur van het onderzoek met Georgy Samsonidze, een onderzoeksingenieur aan het Robert Bosch Research and Technology Centre in Cambridge, MA, waar beide auteurs het meeste onderzoek hebben gedaan.

Om een ​​dergelijk materiaal te vinden, het team ontwikkelde een algoritme dat elektronische transporteigenschappen van een materiaal kan voorspellen op basis van alleen de chemische elementen die in het kristallijne kristal worden gebruikt. De sleutel was om de computationele benadering voor elektron-fononverstrooiing te vereenvoudigen en deze met ongeveer 10 te versnellen, 000 keer, vergeleken met bestaande algoritmen.

De nieuwe methode en de resultaten van de computationele screening zijn gepubliceerd in: Geavanceerde energiematerialen .

Met behulp van het verbeterde algoritme, de onderzoekers screenden veel mogelijke kristalstructuren, inclusief structuren die nog nooit eerder waren gesynthetiseerd. Van die, Kozinsky en Samsonidze hebben de lijst teruggebracht tot enkele interessante kandidaten. Van die kandidaten de onderzoekers voerden verdere computationele optimalisatie uit en stuurden de toppresteerders naar het experimentele team.

In een eerdere poging synthetiseerden experimentatoren de topkandidaten die door deze berekeningen werden gesuggereerd en vonden een materiaal dat even efficiënt en stabiel was als eerdere thermo-elektrische materialen, maar 10 keer goedkoper. De totale tijd van eerste screening tot werkende apparaten:15 maanden.

"We hebben in 15 maanden berekeningen en experimenten gedaan wat 15 jaar duurde voordat eerdere materialen waren geoptimaliseerd, " zei Kozinsky. "Wat echt opwindend is, is dat we de omvang van de vereenvoudiging waarschijnlijk nog niet volledig begrijpen. We zouden deze methode mogelijk nog sneller en goedkoper kunnen maken."

Kozinsky zei dat hij hoopt de nieuwe methodologie te verbeteren en te gebruiken om elektronisch transport te onderzoeken in een bredere klasse van nieuwe exotische materialen zoals topologische isolatoren.