Thermo-elektrische stroomgeneratoren die stroom maken uit afvalwarmte zouden een handig hulpmiddel zijn om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, ware het niet dat er een zeer vervelend probleem is:de noodzaak om elektrische contacten te maken met hun warme kant, dat is vaak net te warm voor materialen die stroom kunnen opwekken.

Door de hitte gaan apparaten na verloop van tijd kapot.

Apparaten die bekend staan ​​​​als transversale thermo-elektriciteit vermijden dit probleem door een stroom te produceren die loodrecht op het geleidende apparaat staat, vereist alleen contacten aan het koude uiteinde van de generator. Hoewel beschouwd als een veelbelovende technologie, de materialen waarvan bekend is dat ze deze zijwaartse spanning creëren, zijn onpraktisch inefficiënt, dachten wetenschappers tenminste.

Onderzoekers van de Ohio State University laten in een nieuwe studie zien dat een enkel materiaal, een gelaagd kristal bestaande uit de elementen rhenium en silicium, blijkt de gouden standaard te zijn voor transversale thermo-elektrische apparaten.

De wetenschappers toonden aan dat deze enkele verbinding functioneert als een zeer effectieve thermo-elektrische generator vanwege een zeldzame eigenschap:tegelijkertijd zowel positieve als negatieve ladingen dragen die onafhankelijk kunnen bewegen in plaats van parallel aan elkaar te lopen, waardoor ze zigzaggend naar de contacten moeten om een ​​elektrische stroom op te wekken.

Door een thermo-elektrische generator te bouwen met een kristal van ongeveer vijf centimeter lang, de onderzoekers stelden ook vast dat wanneer het kristal zich onder een bepaalde hoek in het apparaat bevindt, het kan een indrukwekkende hoeveelheid kracht produceren.

"We hebben aangetoond dat deze materialen even effectief zijn als conventionele thermo-elektrische generatortechnologie, maar overwin de grootste nadelen, " zei studie co-auteur Joshua Goldberger, hoogleraar scheikunde en biochemie aan de staat Ohio.

"Dit is de eerste keer dat dit soort apparaat ooit haalbaar is gebleken. Met efficiënties die orden van grootte hoger zijn dan enig eerder transversaal apparaat, deze verbinding is net zo goed als wat je in de handel kunt kopen, maar belooft veel eenvoudiger en betrouwbaarder te zijn."

Het onderzoek wordt online gepubliceerd in het tijdschrift Energie en milieuwetenschappen .

Terwijl 97% van de energie wordt opgewekt uit warmte, we gooien de meeste warmte weg, laten ontsnappen uit schoorstenen, uitlaatpijpen van auto's en dergelijke.

"Afvalwarmte is echt belangrijk. Er is altijd een zoektocht geweest naar het verbeteren van de efficiëntie van alle motoren die stroom maken uit warmte - de hoeveelheid werk die je eruit kunt halen die je kunt gebruiken, " zei co-auteur van de studie Joseph Heremans, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek en Ohio Eminent Scholar in Nanotechnology aan de Ohio State.

"Voor een lange tijd, we hebben gedroomd om kleine motoren te vinden die geen bewegende delen zouden hebben die warmte kunnen opnemen en elektriciteit kunnen maken."

En nu hebben ze.

De meeste materialen geleiden slechts één soort lading, waardoor de meeste thermo-elektrische apparaten uit meerdere verbindingen zijn samengesteld, maar de complexiteit van het maken van contacten met hen heeft de inspanningen belemmerd om een ​​efficiënte en effectieve thermo-elektrische generator te bouwen die gemakkelijk te bouwen is en bestand is tegen hoge temperaturen.

Twee jaar geleden, dit onderzoeksteam ontdekte onverwachte eigenschappen in een andere verbinding die elektronen en gaten mogelijk maakte, de bronnen van de negatieve en positieve ladingen, respectievelijk, die een elektrische stroom opwekken, om langs wat lijkt op een noord-zuid-snelweg voor de ene lading en een oost-west-snelweg voor de andere.

Na die ontdekking, de onderzoekers kamden door bestaand onderzoek naar andere kristallen die door andere wetenschappers waren gevonden om hetzelfde te doen.

"We raakten hierin geïnteresseerd omdat in het begin we wisten niet dat het kon bestaan. Toen we erachter kwamen dat het kon bestaan, we hebben echt gepusht om deze materialen te vinden, " zei Goldberger. Tot op heden, ze hebben 15 materialen met deze eigenschappen experimenteel bevestigd - van de meer dan 110, 000 kristalstructuren ontdekt en gecatalogiseerd in een internationale database.

"Er waren er een paar ontdekt, maar geen enkele werd uitgebuit voor functionaliteit. Wat we hebben gevonden is dat we er echt iets mee kunnen doen, " zei Wolfgang Windl, een professor in materiaalkunde en engineering aan de Ohio State en co-auteur van de studie.

"Het enige wat we hoeven te doen is draden aan het ene uiteinde te leggen en het kristal op een bepaalde manier te oriënteren en plotseling hebben we een stroomgenerator zonder bewegende delen. En je maakt het warm met de restwarmte die je in je huis hebt, auto of raket, en dit zal vanzelf en in principe eindeloos emissievrij vermogen opwekken. Het is een beetje als zwarte magie voor mij."

theoretisch, een generator gemaakt met deze verbinding kan overal worden gebruikt waar warmte wordt gegenereerd - de grootte van het kristal kan variabel zijn, en in deze studie werd gedicteerd door de grootte van de oven waarin het werd gekweekt.

Heremans zei dat de generator genoeg elektriciteit uit auto-uitlaatgassen kan produceren om het voertuig voort te stuwen. maar hij is voorstander van het idee om deze technologie op kleinere schaal te gebruiken:"De kleinere toepassingen zijn waar complexe oplossingen niet welkom zijn omdat ze te duur zijn, " zei hij. "Dat is waar een eenvoudige oplossing als deze waarschijnlijk het beste is."