Stelt u zich eens voor dat u uw auto gedeeltelijk van de warmte kunt voorzien die de motor afgeeft. Of wat als u een deel van de elektriciteit van uw huis zou kunnen halen uit de warmte die een elektriciteitscentrale afgeeft? Dergelijke energiezuinige scenario's kunnen ooit mogelijk zijn met verbeteringen in thermo-elektrische materialen - die spontaan elektriciteit produceren wanneer één kant van het materiaal wordt verwarmd.

In de afgelopen 60 jaar of zo, wetenschappers hebben een aantal materialen bestudeerd om hun thermo-elektrisch potentieel te karakteriseren, of de efficiëntie waarmee ze warmte omzetten in stroom. Maar tot op heden de meeste van deze materialen hebben rendementen opgeleverd die te laag zijn voor enig wijdverbreid praktisch gebruik.

MIT-natuurkundigen hebben nu een manier gevonden om het potentieel van thermo-elektriciteit aanzienlijk te vergroten, met een theoretische methode die ze vandaag rapporteren in wetenschappelijke vooruitgang . Het materiaal dat ze met deze methode modelleren is vijf keer efficiënter, en kan mogelijk twee keer zoveel energie opwekken, als de beste thermo-elektrische materialen die vandaag bestaan.

"Als alles in onze stoutste dromen uitkomt, dan plotseling, veel dingen die nu te inefficiënt zijn om te doen, zullen efficiënter worden, " zegt hoofdauteur Brian Skinner, een postdoc in MIT's Research Laboratory of Electronics. "Misschien zie je in de auto's van mensen kleine thermo-elektrische recuperaties die de restwarmte opnemen die je automotor uitstelt, en gebruik het om de batterij op te laden. Of deze apparaten kunnen rond elektriciteitscentrales worden geplaatst, zodat warmte die voorheen door uw kernreactor of kolencentrale werd verspild, nu wordt teruggewonnen en in het elektriciteitsnet wordt gestopt."

Skinner's co-auteur op het papier is Liang Fu, de Sarah W. Biedenharn Career Development Associate Professor of Physics aan het MIT.

Gaten vinden in een theorie

Het vermogen van een materiaal om energie uit warmte te produceren is gebaseerd op het gedrag van zijn elektronen in aanwezigheid van een temperatuurverschil. Wanneer een zijde van een thermo-elektrisch materiaal wordt verwarmd, het kan elektronen activeren om weg te springen van de warme kant en zich ophopen aan de koude kant. De resulterende opbouw van elektronen kan een meetbare spanning creëren.

Materialen die tot nu toe zijn onderzocht, hebben zeer weinig thermo-elektrisch vermogen gegenereerd, gedeeltelijk omdat elektronen relatief moeilijk thermisch te activeren zijn. Bij de meeste materialen, elektronen bestaan ​​in specifieke banden, of energiebereiken. Elke band wordt gescheiden door een opening - een klein bereik van energieën waarin elektronen niet kunnen bestaan. Het is een enorme uitdaging geweest om elektronen voldoende te activeren om een ​​bandgap te overbruggen en fysiek over een materiaal te migreren.

Skinner en Fu besloten om te kijken naar het thermo-elektrische potentieel van een familie van materialen die bekend staat als topologische halfmetalen. In tegenstelling tot de meeste andere vaste materialen zoals halfgeleiders en isolatoren, topologische semimetalen zijn uniek omdat ze geen bandhiaten hebben - een energieconfiguratie die elektronen in staat stelt om gemakkelijk naar hogere energiebanden te springen wanneer ze worden verwarmd.

Wetenschappers hadden aangenomen dat topologische halfmetalen, een relatief nieuw type materiaal dat grotendeels in het laboratorium wordt gesynthetiseerd, niet veel thermo-elektrische energie zou opwekken. Wanneer het materiaal aan één kant wordt verwarmd, elektronen worden geactiveerd, en zich aan de andere kant ophopen. Maar als deze negatief geladen elektronen naar hogere energiebanden springen, ze laten zogenaamde "gaten" achter - deeltjes met positieve lading die zich ook ophopen aan de koude kant van het materiaal, waardoor het effect van de elektronen wordt opgeheven en uiteindelijk heel weinig energie wordt geproduceerd.

Maar het team was nog niet helemaal klaar om dit materiaal te verdisconteren. In een niet-gerelateerd stukje onderzoek, Skinner had een merkwaardig effect opgemerkt in halfgeleiders die worden blootgesteld aan een sterk magnetisch veld. Onder dergelijke omstandigheden, het magnetische veld kan de beweging van elektronen beïnvloeden, hun traject afbuigen. Skinner en Fu vroegen zich af:wat voor effect kan een magnetisch veld hebben in topologische semimetalen?

Ze raadpleegden de literatuur en ontdekten dat een team van Princeton University, in een poging om een ​​type topologisch materiaal dat bekend staat als lood-tinselenide volledig te karakteriseren, had in 2013 ook de thermo-elektrische eigenschappen ervan gemeten onder een magnetisch veld. Onder hun vele waarnemingen van het materiaal, de onderzoekers hadden gemeld dat ze een toename van thermo-elektrische opwekking zagen, onder een zeer hoog magnetisch veld van 35 tesla (de meeste MRI-machines, ter vergelijking, werken rond de 2 tot 3 tesla).

Skinner en Fu gebruikten eigenschappen van het materiaal uit de Princeton-studie om de thermo-elektrische prestaties van het materiaal theoretisch te modelleren onder een reeks van temperatuur- en magnetische veldomstandigheden.

"Uiteindelijk kwamen we erachter dat onder een sterk magnetisch veld, gebeurt er iets grappigs, waar je elektronen en gaten in tegengestelde richtingen kunt laten bewegen, "zegt Skinner. "Elektronen gaan naar de koude kant, en gaten naar de warme kant. Ze werken samen en in principe, je zou een steeds grotere spanning uit hetzelfde materiaal kunnen halen door het magnetische veld alleen maar sterker te maken."

Tesla-kracht

In hun theoretische modellering de groep berekende de ZT van loodtinselenide, of cijfer van verdienste, een hoeveelheid die u vertelt hoe dicht uw materiaal bij de theoretische limiet is voor het opwekken van stroom uit warmte. De meest efficiënte materialen die tot nu toe zijn gerapporteerd, hebben een ZT van ongeveer 2. Skinner en Fu ontdekten dat, onder een sterk magnetisch veld van ongeveer 30 tesla, lood-tinselenide kan een ZT hebben van ongeveer 10 tot vijf keer efficiënter dan de best presterende thermo-elektrische materialen.

"Het is ver van de schaal, " zegt Skinner. "Toen we voor het eerst op dit idee stuitten, het leek een beetje te dramatisch. Het kostte een paar dagen om mezelf ervan te overtuigen dat het allemaal klopt."

Ze berekenen dat een materiaal met een ZT gelijk aan 10, indien verwarmd bij kamertemperatuur tot ongeveer 500 kelvin, of 440 graden Fahrenheit, onder een magnetisch veld van 30 tesla, 18 procent van die warmte in elektriciteit moeten kunnen omzetten, vergeleken met materialen met een ZT gelijk aan 2, die slechts 8 procent van die warmte in energie zou kunnen omzetten.

De groep erkent dat om zulke hoge efficiënties te bereiken, momenteel beschikbare topologische halfmetalen zouden moeten worden verwarmd onder een extreem hoog magnetisch veld dat slechts door een handvol faciliteiten in de wereld kan worden geproduceerd. Om deze materialen praktisch te maken voor gebruik in energiecentrales of auto's, ze zouden moeten werken in het bereik van 1 tot 2 tesla.

Fu zegt dat dit mogelijk moet zijn als een topologisch halfmetaal extreem schoon is, wat betekent dat er zeer weinig onzuiverheden in het materiaal zijn die de elektronenstroom in de weg zouden staan.

"Materialen heel schoon maken is een hele uitdaging, maar mensen hebben veel moeite gedaan om deze materialen van hoge kwaliteit te laten groeien, ' zegt Fu.

Hij voegt eraan toe dat lood-tin-selenide, het materiaal waarop ze zich in hun studie richtten, is niet het schoonste topologische halfmetaal dat wetenschappers hebben gesynthetiseerd. Met andere woorden, er kan een andere zijn, schonere materialen die dezelfde hoeveelheid thermisch vermogen kunnen genereren met een veel kleiner magnetisch veld.

"We kunnen zien dat dit materiaal een goed thermo-elektrisch materiaal is, maar er moeten betere zijn " zegt Fu. "Een benadering is om het beste [topologische halfmetaal] te nemen dat we nu hebben, en breng een magnetisch veld van 3 tesla aan. Het kan de efficiëntie niet met een factor 2 verhogen, maar misschien 20 of 50 procent, dat is al een behoorlijke vooruitgang."

Het team heeft een patent aangevraagd voor hun nieuwe thermo-elektrische benadering en werkt samen met Princeton-onderzoekers om de theorie experimenteel te testen.