Een nieuw type materiaal wekt zeer efficiënt elektrische stroom op uit temperatuurverschillen. Hierdoor kunnen sensoren en kleine processoren zichzelf draadloos van energie voorzien.

Thermo-elektrische materialen kunnen warmte omzetten in elektrische energie. Dit komt door het zogenaamde Seebeck-effect:als er een temperatuurverschil is tussen de twee uiteinden van een dergelijk materiaal, elektrische spanning kan worden gegenereerd en stroom kan gaan vloeien. De hoeveelheid elektrische energie die bij een bepaald temperatuurverschil kan worden opgewekt, wordt gemeten met de zogenaamde ZT-waarde:hoe hoger de ZT-waarde van een materiaal, hoe beter de thermo-elektrische eigenschappen.

De beste thermo-elektriciteit tot nu toe werd gemeten bij ZT-waarden van ongeveer 2,5 tot 2,8. Wetenschappers van de TU Wien (Wenen) zijn er nu in geslaagd een volledig nieuw materiaal te ontwikkelen met een ZT-waarde van 5 tot 6. Het is een dun laagje ijzer, vanadium, wolfraam en aluminium aangebracht op een siliciumkristal.

Het nieuwe materiaal is zo effectief dat het kan worden gebruikt om sensoren of zelfs kleine computerprocessors van energie te voorzien. In plaats van kleine elektrische apparaten op kabels aan te sluiten, ze konden hun eigen elektriciteit opwekken uit temperatuurverschillen. Het nieuwe materiaal is nu gepresenteerd in het tijdschrift Natuur .

Elektriciteit en temperatuur

"Een goed thermo-elektrisch materiaal moet een sterk Seebeck-effect vertonen, en het moet voldoen aan twee belangrijke vereisten die moeilijk met elkaar te verzoenen zijn, " zegt prof. Ernst Bauer van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien. "Aan de ene kant, het moet elektriciteit zo goed mogelijk geleiden; anderzijds, het moet de warmte zo slecht mogelijk transporteren. Dit is een uitdaging omdat elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid meestal nauw met elkaar verbonden zijn."

Bij het Christian Doppler-laboratorium voor thermo-elektriciteit, die Ernst Bauer in 2013 oprichtte aan de TU Wien verschillende thermo-elektrische materialen voor verschillende toepassingen zijn de afgelopen jaren bestudeerd. Dit onderzoek heeft nu geleid tot de ontdekking van een bijzonder opmerkelijk materiaal:een combinatie van ijzer, vanadium, wolfraam en aluminium.

"De atomen in dit materiaal zijn meestal gerangschikt in een strikt regelmatig patroon in een zogenaamd vlakgecentreerd kubisch rooster, " zegt Ernst Bauer. "De afstand tussen twee ijzeratomen is altijd hetzelfde, en hetzelfde geldt voor de andere soorten atomen. Het hele kristal is dus volkomen regelmatig."

Echter, wanneer een dunne laag van het materiaal op silicium wordt aangebracht, er gebeurt iets wonderbaarlijks:de structuur verandert radicaal. Hoewel de atomen nog steeds een kubisch patroon vormen, ze zijn nu gerangschikt in een ruimte-gecentreerde structuur, en de verdeling van de verschillende soorten atomen wordt volledig willekeurig. "Twee ijzeratomen kunnen naast elkaar zitten, de plaatsen ernaast kunnen worden ingenomen door vanadium of aluminium, en er is geen regel meer die bepaalt waar het volgende ijzeratoom zich in het kristal bevindt, ", legt Bauer uit.

Deze mengeling van regelmaat en onregelmatigheid van de atomaire rangschikking verandert ook de elektronische structuur, die bepaalt hoe elektronen in de vaste stof bewegen. "De elektrische lading beweegt op een speciale manier door het materiaal, zodat het wordt beschermd tegen verstrooiingsprocessen. De ladingsdelen die door het materiaal gaan, worden Weyl Fermionen genoemd, " zegt Ernst Bauer. Op deze manier, een zeer lage elektrische weerstand wordt bereikt.

Rooster trillingen, anderzijds, die warmte transporteren van plaatsen met een hoge temperatuur naar plaatsen met een lage temperatuur, worden geremd door de onregelmatigheden in de kristalstructuur. Daarom, thermische geleidbaarheid neemt af. Dit is belangrijk als elektrische energie permanent moet worden opgewekt uit een temperatuurverschil, want als temperatuurverschillen zeer snel zouden kunnen equilibreren en het hele materiaal binnenkort overal dezelfde temperatuur zou hebben, het thermo-elektrische effect zou tot stilstand komen.

Elektriciteit voor het internet der dingen

"Natuurlijk, zo'n dunne laag kan niet bijzonder veel energie opwekken, maar het heeft het voordeel dat het extreem compact en aanpasbaar is, ", zegt Ernst Bauer. "We willen het gebruiken om energie te leveren voor sensoren en kleine elektronische toepassingen." De vraag naar dergelijke kleinschalige generatoren groeit snel:in het "Internet of Things, " steeds meer apparaten worden online aan elkaar gekoppeld, zodat ze hun gedrag automatisch op elkaar afstemmen. Dit is vooral veelbelovend voor toekomstige productie-installaties, waarbij de ene machine dynamisch op de andere moet reageren.

"Als je in een fabriek een groot aantal sensoren nodig hebt, je kunt ze niet allemaal aan elkaar knopen. Het is veel slimmer dat de sensoren hun eigen stroom kunnen opwekken met een klein thermo-elektrisch apparaatje, ' zegt Bauer.