Bijna 70 procent van de energie die elk jaar in de Verenigde Staten wordt geproduceerd, wordt verspild als warmte. Veel van die warmte is minder dan 100 graden Celsius en komt van dingen als computers, auto's of grote industriële processen. Ingenieurs aan de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben een dunnefilmsysteem ontwikkeld dat kan worden toegepast op bronnen van afvalwarmte zoals deze om energie te produceren op een niveau dat ongekend is voor dit soort technologie.

Het dunnefilmsysteem maakt gebruik van een proces dat pyro-elektrische energieomzetting wordt genoemd, waarvan de nieuwe studie van de ingenieurs aantoont dat het zeer geschikt is om energievoorraden van restwarmte onder de 100 graden Celsius aan te boren, afvalwarmte van lage kwaliteit genoemd. Pyro-elektrische energieomzetting, zoals veel systemen die warmte omzetten in energie, werkt het beste met thermodynamische cycli, een beetje zoals hoe een automotor werkt. Maar in tegenstelling tot de motor in uw auto, omzetting van pyro-elektrische energie kan volledig in vaste toestand worden gerealiseerd zonder bewegende delen, omdat het afvalwarmte omzet in elektriciteit.

De nieuwe resultaten suggereren dat deze nanoscopische dunnefilmtechnologie bijzonder aantrekkelijk kan zijn voor het installeren op en het oogsten van afvalwarmte van hogesnelheidselektronica, maar zou een groot toepassingsgebied kunnen hebben. Voor wisselende warmtebronnen, de studie meldt dat de dunne film afvalwarmte kan omzetten in bruikbare energie met een hogere energiedichtheid, vermogensdichtheid en efficiëntieniveaus dan andere vormen van pyro-elektrische energieomzetting.

"We weten dat we nieuwe energiebronnen nodig hebben, maar we moeten ook beter presteren in het benutten van de energie die we al hebben, " zei senior auteur Lane Martin, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek. "Deze dunne films kunnen ons helpen meer energie uit elke energiebron te persen dan we nu doen."

Het onderzoek wordt op 16 april gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen . Het onderzoek werd ondersteund, gedeeltelijk, door subsidies van het Army Research Office en de National Science Foundation.

Pyro-elektrisch gedrag is al lang bekend, maar het nauwkeurig meten van de eigenschappen van dunnefilmversies van pyro-elektrische systemen is een uitdaging gebleven. Een belangrijke bijdrage van de nieuwe studie is om dat proces te demystificeren en het begrip van pyro-elektrische fysica te verbeteren.

Martin's onderzoeksteam synthetiseerde dunne-filmversies van materialen van slechts 50-100 nanometer dik en toen, samen met de groep van Chris Dames, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan Berkeley, vervaardigde en testte de pyro-elektrische apparaatstructuren op basis van deze films. Met deze structuren kunnen de ingenieurs tegelijkertijd de temperatuur en elektrische stromen meten, en warmtebron om de mogelijkheden van het apparaat voor stroomopwekking te testen - allemaal op een film van minder dan 100 nanometer dik.

"Door een dunnefilmapparaat te maken, we kunnen de warmte snel in en uit dit systeem krijgen, waardoor we toegang hebben tot pyro-elektrische energie op ongekende niveaus voor warmtebronnen die in de tijd fluctueren, Martin zei. "Het enige wat we doen is warmte winnen en elektrische velden toepassen op dit systeem, en we kunnen energie winnen."

Deze studie rapporteert nieuwe records voor de energiedichtheid van de omzetting van pyro-elektrische energie (1,06 joule per kubieke centimeter), vermogensdichtheid (526 Watt per kubieke centimeter) en efficiëntie (19 procent van Carnot-efficiëntie, wat de standaard meeteenheid is voor het rendement van een warmtemotor).

De volgende stappen in deze onderzoekslijn zijn om de dunnefilmmaterialen beter te optimaliseren voor specifieke restwarmtestromen en -temperaturen.

"Een deel van wat we proberen te doen, is een protocol creëren waarmee we de extremen van pyro-elektrische materialen kunnen pushen, zodat je me een afvalwarmtestroom kunt geven en ik je een materiaal kan bezorgen dat is geoptimaliseerd om je problemen aan te pakken, ' zei Martijn.