Nu energiebesparing naar verwachting een steeds grotere rol zal spelen bij het beheersen van de wereldwijde vraag, materialen en methoden die beter gebruik maken van bestaande energiebronnen zijn steeds belangrijker geworden.

Onderzoekers meldden deze week in de Proceedings van de National Academy of Sciences dat ze een stap voorwaarts hebben aangetoond in het omzetten van restwarmte - van industriële schoorstenen, elektriciteitscentrales of zelfs uitlaatpijpen van auto's - in elektriciteit.

Het werk, met behulp van een thermo-elektrische verbinding bestaande uit niobium, titanium, ijzer en antimoon, slaagde erin de vermogensdichtheid van het materiaal drastisch te verhogen door gebruik te maken van een zeer hete perstemperatuur - tot 1373 Kelvin, of ongeveer 2, 000 graden Fahrenheit - om het materiaal te maken.

"Het grootste deel van de industriële energie-input gaat verloren als restwarmte, " schreven de onderzoekers. "Het omzetten van een deel van de afvalwarmte in bruikbare elektrische stroom zal leiden tot een vermindering van het verbruik van fossiele brandstoffen en de uitstoot van CO2."

Thermo-elektrische materialen produceren elektriciteit door gebruik te maken van de warmtestroom van een warmer gebied naar een koeler gebied, en hun efficiëntie wordt berekend als de maatstaf voor hoe goed het materiaal warmte - vaak afvalwarmte die wordt gegenereerd door elektriciteitscentrales of andere industriële processen - omzet in energie. Bijvoorbeeld, een materiaal dat 100 watt warmte opneemt en 10 watt elektriciteit produceert, heeft een efficiëntie van 10 procent.

Dat is de traditionele manier om thermo-elektrische materialen te beschouwen, zei Zhifeng Ren, MD Anderson, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Houston en hoofdauteur van het artikel. Maar een relatief hoge conversie-efficiëntie is geen garantie voor een hoog uitgangsvermogen, die de hoeveelheid vermogen meet die door het materiaal wordt geproduceerd in plaats van de snelheid van de conversie.

Omdat restwarmte een overvloedige - en gratis - brandstofbron is, de conversieratio is minder belangrijk dan de totale hoeveelheid vermogen die kan worden geproduceerd, zei Ren, die ook hoofdonderzoeker is bij het Texas Center for Superconductivity aan de UH. "Vroeger, dat is niet benadrukt."

Naast Rens, onderzoekers die bij het project betrokken zijn, zijn onder meer Ran He, juni Mao, Qing Jie, Jing Shuai, Hee Seok Kim, Yuan Liu en Paul CW Chu, alles van UH; Daniël Kramer, Lingping Zeng en Gang Chen van het Massachusetts Institute of Technology; Yucheng Lan van de Morgan State University, en Chunhua Li en David Broido van Boston College.

De onderzoekers hebben een verbinding gemaakt die bestaat uit niobium, ijzer en antimoon, tussen 4 en 5 procent van het niobium vervangen door titanium. Het verwerken van de nieuwe verbinding bij verschillende hoge temperaturen suggereerde dat een zeer hoge temperatuur - 1373 Kelvin - resulteerde in een materiaal met een ongewoon hoge arbeidsfactor.

"Voor de meeste thermo-elektrische materialen, een powerfactor van 40 is goed, " zei Ren. "Velen hebben een arbeidsfactor van 20 of 30."

Het nieuwe materiaal heeft een powerfactor van 106 bij kamertemperatuur, en onderzoekers konden een uitgangsvermogensdichtheid van 22 watt per vierkante centimeter aantonen, veel hoger dan de 5 tot 6 watt die doorgaans wordt geproduceerd, hij zei.

"Dit aspect van thermo-elektriciteit moet worden benadrukt, " zei hij. "Je kunt niet alleen naar de efficiëntie kijken. Je moet ook kijken naar de arbeidsfactor en het geleverde vermogen."