Is uw stuur deze zomer te warm geweest om aan te raken? Een nieuw thermo-elektrisch materiaal gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap verlichting zou kunnen bieden.

De wijdverbreide toepassing van thermo-elektrische apparaten die elektriciteit direct kunnen omzetten in thermische energie voor koeling en verwarming is belemmerd, gedeeltelijk, door het gebrek aan materialen die zowel goedkoop als zeer efficiënt zijn bij kamertemperatuur.

Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Houston en het Massachusetts Institute of Technology de ontdekking gerapporteerd van een nieuw materiaal dat efficiënt werkt bij kamertemperatuur terwijl het bijna geen kostbaar tellurium nodig heeft. een belangrijk onderdeel van het huidige state-of-the-art materiaal.

Het werk, beschreven in een paper dat online is gepubliceerd door Wetenschap Donderdag, 18 juli heeft potentiële toepassingen voor het bewaren van elektronische apparaten, voertuigen en andere onderdelen tegen oververhitting, zei Zhifeng Ren, corresponderende auteur over het werk en directeur van het Texas Center for Superconductivity aan de UH, waar hij ook M.D. Anderson Professor of Physics is.

"We hebben een nieuw materiaal gemaakt, die niet duur is maar toch bijna net zo goed presteert als de traditionele, duurder materiaal, " zei Ren. De onderzoekers zeggen dat toekomstig werk de kleine prestatiekloof tussen hun nieuwe materiaal en het traditionele materiaal zou kunnen dichten, een op bismut-tellurium gebaseerde legering.

Thermo-elektrische materialen werken door gebruik te maken van de warmtestroom van een warmer gebied naar een koeler gebied, en thermo-elektrische koelmodules werken volgens het Peltier-effect, die de overdracht van warmte tussen twee elektrische knooppunten beschrijft.

Thermo-elektrische materialen kunnen ook worden gebruikt om restwarmte van energiecentrales, uitlaatpijpen van auto's en andere bronnen - in elektriciteit, en een aantal nieuwe materialen zijn gemeld voor die toepassing, waarvoor materialen nodig zijn om bij veel hogere temperaturen te presteren.

Thermo-elektrische koelmodules vormden een grote uitdaging omdat ze bij lagere temperaturen moeten werken, waar de thermo-elektrische figuur van verdienste, of ZT, laag is omdat het afhankelijk is van de temperatuur. De figuur van verdienste is een metriek die wordt gebruikt om te bepalen hoe efficiënt een thermo-elektrisch materiaal werkt.

Ondanks de uitdaging, thermo-elektrische koelmodules ook, tenminste voor nu, meer commercieel potentieel bieden, deels omdat ze een lange levensduur kunnen hebben bij lagere temperaturen; thermo-elektrische energieopwekking wordt bemoeilijkt door problemen die verband houden met de hoge temperaturen waarbij het werkt, inclusief oxidatie en thermische instabiliteit.

De markt voor thermo-elektrische koeling groeit. "De wereldwijde markt voor thermo-elektrische modulen was in 2018 ~ 0,6 miljard dollar waard en zal naar verwachting in 2027 ~ 1,7 miljard dollar bedragen. ’ schreven de onderzoekers.

Bismut-telluriumlegeringen worden al decennia lang beschouwd als het best presterende materiaal voor thermische koeling. maar de onderzoekers zeiden dat de hoge kosten van tellurium een ​​beperkt wijdverbreid gebruik hebben. juni Mao, een postdoctoraal onderzoeker aan de UH en eerste auteur van de paper, zei dat de kosten recentelijk zijn gedaald, maar ongeveer $ 50/kg blijven. Dat is te vergelijken met ongeveer $ 6/kg voor magnesium, een hoofdbestanddeel van het nieuwe materiaal.

Naast Ren en Mao, andere auteurs op het papier zijn Hangtian Zhu, Zihang Liu en Geethal Amila Gamage, alle van de UH Department of Physics en TcSUH, en Zhiwei Ding en Gang Chen van de afdeling Werktuigbouwkunde van het Massachusetts Institute of Technology.

Ze meldden dat het nieuwe materiaal, bestaande uit magnesium en bismut en gemaakt in een vorm met een negatieve lading, bekend als n-type, was bijna net zo efficiënt als het traditionele bismut-telluriummateriaal. Dat, gecombineerd met de lagere kosten, moet het gebruik van thermo-elektrische modules voor koeling uitbreiden, ze zeiden.

Om een ​​thermo-elektrische module te produceren met behulp van het nieuwe materiaal, onderzoekers combineerden het met een positieve lading, of p-type, versie van de traditionele bismut-telluriumlegering. Mao zei dat ze daardoor maar half zoveel tellurium konden gebruiken als de meeste huidige modules.

Omdat de materiaalkosten ongeveer een derde van de kosten van het apparaat uitmaken, dat de besparingen oplopen, hij zei.

Het nieuwe materiaal handhaaft ook meer succesvol elektrisch contact dan de meeste nanogestructureerde materialen, meldden de onderzoekers.