Thermo-elektrische apparaten, die stroom kan genereren wanneer de ene kant van het apparaat een andere temperatuur heeft dan de andere, zijn de afgelopen jaren onderwerp van veel onderzoek geweest. Nutsvoorzieningen, een team van MIT heeft een nieuwe manier bedacht om temperatuurschommelingen om te zetten in elektrische stroom. In plaats van twee verschillende temperatuuringangen tegelijkertijd te vereisen, het nieuwe systeem maakt gebruik van de schommelingen in de omgevingstemperatuur die optreden tijdens de dag-nachtcyclus.

Het nieuwe systeem, een thermische resonator genoemd, kon continu, jarenlange werking van teledetectiesystemen, bijvoorbeeld, zonder dat er andere stroombronnen of batterijen nodig zijn, zeggen de onderzoekers.

De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , in een paper van afgestudeerde student Anton Cottrill, Carbon P. Dubbs hoogleraar chemische technologie Michael Strano, en zeven anderen in het Department of Chemical Engineering van het MIT.

"We hebben dit concept eigenlijk uit hele stof uitgevonden, " zegt Strano. "We hebben de eerste thermische resonator gebouwd. Het is iets dat op een bureau kan zitten en energie kan opwekken uit wat niets lijkt. We worden voortdurend omringd door temperatuurschommelingen van alle verschillende frequenties. Dit is een onaangeboorde energiebron."

Hoewel de energieniveaus die tot nu toe door het nieuwe systeem zijn gegenereerd, bescheiden zijn, het voordeel van de thermische resonator is dat deze geen direct zonlicht nodig heeft; het genereert energie uit veranderingen in de omgevingstemperatuur, zelfs in de schaduw. Dat betekent dat het niet wordt beïnvloed door veranderingen op korte termijn in bewolking, windomstandigheden, of andere omgevingsomstandigheden, en kan overal worden geplaatst waar het handig is, zelfs onder een zonnepaneel, in eeuwige schaduw, waar het zelfs het zonnepaneel efficiënter zou kunnen maken door afvalwarmte af te voeren, zeggen de onderzoekers.

De thermische resonator bleek beter te presteren dan een identieke, commercieel pyro-elektrisch materiaal - een gevestigde methode om temperatuurschommelingen om te zetten in elektriciteit - met een factor van meer dan drie in termen van vermogen per gebied, volgens Cottrill.

De onderzoekers realiseerden zich dat om stroom te produceren uit temperatuurcycli, ze hadden een materiaal nodig dat is geoptimaliseerd voor een weinig bekende eigenschap die thermische effusiviteit wordt genoemd - een eigenschap die beschrijft hoe gemakkelijk het materiaal warmte kan onttrekken aan zijn omgeving of deze kan afgeven. Thermische effusiviteit combineert de eigenschappen van thermische geleiding (hoe snel warmte zich door een materiaal kan voortplanten) en thermische capaciteit (hoeveel warmte kan worden opgeslagen in een bepaald volume materiaal). Bij de meeste materialen, als een van deze eigenschappen hoog is, de andere is meestal laag. keramiek, bijvoorbeeld, hebben een hoge thermische capaciteit maar een lage geleiding.

Om dit te omzeilen, het team creëerde een zorgvuldig op maat gemaakte combinatie van materialen. De basisstructuur is een metaalschuim, gemaakt van koper of nikkel, die vervolgens wordt bedekt met een laag grafeen om een ​​nog grotere thermische geleidbaarheid te bieden. Vervolgens, het schuim is doordrenkt met een soort was, octadecaan genaamd, een faseovergangsmateriaal, die verandert tussen vast en vloeibaar binnen een bepaald temperatuurbereik dat voor een bepaalde toepassing is gekozen.

Een monster van het materiaal dat is gemaakt om het concept te testen, toonde aan dat, gewoon als reactie op een temperatuurverschil van 10 graden Celsius tussen dag en nacht, het kleine monster materiaal produceerde 350 millivolt potentieel en 1,3 milliwatt vermogen - genoeg om eenvoudig van stroom te voorzien, kleine omgevingssensoren of communicatiesystemen.

"Het faseovergangsmateriaal slaat de warmte op, " zegt Cottrill, de hoofdauteur van de studie, "en het grafeen geeft je een zeer snelle geleiding" als het tijd is om die warmte te gebruiken om een ​​elektrische stroom te produceren.

Eigenlijk, Strano legt uit, één kant van het apparaat vangt warmte op, die dan langzaam doorstraalt naar de andere kant. De ene kant blijft altijd achter op de andere als het systeem probeert een evenwicht te bereiken. Dit eeuwigdurende verschil tussen de twee partijen kan dan worden geoogst door middel van conventionele thermo-elektriciteit. De combinatie van de drie materialen:metaalschuim, grafeen, en octadecaan - maakt het "tot nu toe het materiaal met de hoogste thermische effusiviteit in de literatuur, ' zegt Strano.

Terwijl de eerste tests werden uitgevoerd met behulp van de 24-uurs dagelijkse cyclus van de omgevingsluchttemperatuur, het afstemmen van de eigenschappen van het materiaal zou het mogelijk kunnen maken om andere soorten temperatuurcycli te oogsten, zoals de hitte van het aan-en-uit fietsen van motoren in een koelkast, of van machines in industriële installaties.

"We zijn omgeven door temperatuurschommelingen en -schommelingen, maar ze zijn niet goed gekarakteriseerd in de omgeving, ", zegt Strano. Dit komt deels omdat er geen bekende manier was om ze te benutten.

Er zijn andere benaderingen gebruikt om te proberen stroom te halen uit thermische cycli, met pyro-elektrische apparaten, bijvoorbeeld, maar het nieuwe systeem is het eerste dat kan worden afgestemd om te reageren op specifieke perioden van temperatuurschommelingen, zoals de dagelijkse cyclus, zeggen de onderzoekers.

Deze temperatuurvariaties zijn "ongebruikte energie, " zegt Cottrill, en zou een aanvullende energiebron kunnen zijn in een hybride systeem dat, door meerdere wegen te combineren voor het produceren van stroom, kon blijven werken, zelfs als afzonderlijke componenten het begaven. Het onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door een subsidie ​​van de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) van Saoedi-Arabië, die hoopt het systeem te gebruiken als een manier om netwerken van sensoren aan te drijven die de omstandigheden op olie- en gasboorvelden bewaken, bijvoorbeeld.

"Ze willen orthogonale energiebronnen, " Cottrill zegt - dat wil zeggen, die volledig onafhankelijk van elkaar zijn, zoals generatoren voor fossiele brandstoffen, zonnepanelen, en dit nieuwe apparaat met thermische cyclus. Dus, "Als een onderdeel faalt, " bijvoorbeeld als zonnepanelen door een zandstorm in het donker worden achtergelaten, "Je hebt dit extra mechanisme om kracht te geven, zelfs als het net genoeg is om een ​​noodbericht te sturen."

Dergelijke systemen kunnen ook energiebronnen met een laag vermogen maar met een lange levensduur leveren voor landers of rovers die afgelegen locaties verkennen, inclusief andere manen en planeten, zegt Volodymyr Koman, een MIT-postdoc en co-auteur van de nieuwe studie. Voor dergelijke toepassingen, een groot deel van het systeem kan worden gemaakt van lokale materialen in plaats van vooraf gemaakt te worden, hij zegt.