Het rechtstreeks omzetten van elektrische stroom in warmte is eenvoudig. Het gebeurt regelmatig in je broodrooster, dat is, als u regelmatig toast maakt. Het tegenovergestelde, warmte omzetten in elektrische energie, is niet zo gemakkelijk.

Onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben een klein apparaatje op basis van silicium ontwikkeld dat wat voorheen afvalwarmte werd genoemd kan benutten en omzetten in gelijkstroom. Hun opmars werd onlangs gepubliceerd in Physical Review Applied.

"We hebben een nieuwe methode ontwikkeld om in wezen energie terug te winnen uit restwarmte. Automotoren produceren veel warmte en die warmte is gewoon afval, Rechtsaf? Dus stel je voor dat je die motorwarmte zou kunnen omzetten in elektrische stroom voor een hybride auto. Dit is de eerste stap in die richting, maar er moet nog veel meer gebeuren, " zei Paul Davids, een fysicus en de hoofdonderzoeker van het onderzoek.

"Op korte termijn willen we een compacte infrarood voeding maken, misschien om radio-isotopen thermo-elektrische generatoren te vervangen." RTG's genoemd, de generatoren worden onder meer gebruikt voor het aandrijven van sensoren voor ruimtemissies die niet genoeg direct zonlicht krijgen om zonnepanelen van stroom te voorzien.

Het apparaat van Davids is gemaakt van gewone en overvloedige materialen, zoals aluminium, silicium en siliciumdioxide - of glas - op zeer ongebruikelijke manieren gecombineerd.

Silicium apparaat vangt, kanalen en zet warmte om in stroom

Kleiner dan een pinknagel, het apparaat is ongeveer 1/8 inch bij 1/8 inch, half zo dik als een dubbeltje en metaalachtig glanzend. De bovenkant is van aluminium dat is geëtst met strepen die ongeveer 20 keer kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar. Dit patroon, hoewel veel te klein om met het oog te zien, dient als antenne om de infrarode straling op te vangen.

Tussen de aluminium bovenkant en de silicium onderkant zit een heel dun laagje siliciumdioxide. Deze laag is ongeveer 20 siliciumatomen dik, of 16, 000 keer dunner dan een mensenhaar. De van een patroon voorziene en geëtste aluminium antenne kanaliseert de infraroodstraling in deze dunne laag.

De infrarode straling gevangen in het siliciumdioxide zorgt voor zeer snelle elektrische trillingen, ongeveer 50 biljoen keer per seconde. Dit duwt elektronen op een asymmetrische manier heen en weer tussen het aluminium en het silicium. Dit proces, rectificatie genoemd, genereert netto elektrische gelijkstroom.

Het team noemt zijn apparaat een infrarood rectenna, een samentrekking van gelijkrichtantenne. Het is een solid-state apparaat zonder bewegende delen die kunnen vastlopen, buigen of breken, en hoeft de warmtebron niet direct aan te raken, die thermische stress kunnen veroorzaken.

Infrarood rectenna productie maakt gebruik van gemeenschappelijke, schaalbare processen

Omdat het team de infrarood rectenna maakt met dezelfde processen die worden gebruikt door de industrie voor geïntegreerde schakelingen, het is gemakkelijk schaalbaar, zei Joshua Shank, elektrotechnisch ingenieur en de eerste auteur van het artikel, die de apparaten testte en de onderliggende fysica modelleerde terwijl hij een postdoctoraal onderzoeker bij Sandia was.

Hij voegde toe, "We hebben ons bewust gericht op gangbare materialen en processen die schaalbaar zijn. In theorie elke commerciële fabriek voor de fabricage van geïntegreerde schakelingen zou deze rectenna's kunnen maken."

Dat wil niet zeggen dat het maken van het huidige apparaat eenvoudig was. Rob Jarecki, de fabricage-ingenieur die de procesontwikkeling leidde, zei, "Er zit een immense complexiteit onder de motorkap en de apparaten vereisen allerlei verwerkingstrucs om ze te bouwen."

Een van de grootste fabricage-uitdagingen was het inbrengen van kleine hoeveelheden andere elementen in het silicium, of doping, zodat het infrarood licht zou weerkaatsen als een metaal, zei Jarecki. "Normaal gesproken doping je silicium niet dood, je probeert er geen metaal van te maken, want daar heb je metalen voor. In dit geval hadden we het zo veel mogelijk gedoteerd nodig zonder het materiaal te vernielen."

De apparaten zijn gemaakt bij Sandia's Microsystems Engineering, Wetenschap en toepassingen Complex. Het team heeft een patent gekregen voor de infrarood rectenna en heeft verschillende aanvullende patenten aangevraagd.

De versie van de infrarood rectenna die het team rapporteerde in Physical Review Applied produceert 8 nanowatt aan vermogen per vierkante centimeter van een gespecialiseerde warmtelamp op 840 graden. Voor de context, een typische rekenmachine op zonne-energie gebruikt ongeveer 5 microwatt, dus ze zouden een vel infrarood rectenna's nodig hebben dat iets groter is dan een standaard stuk papier om een ​​rekenmachine van stroom te voorzien. Dus, het team heeft veel ideeën voor toekomstige verbeteringen om de infrarood rectenna efficiënter te maken.

Toekomstige werkzaamheden om de efficiëntie van infrarood rectenna te verbeteren

Deze ideeën omvatten het maken van het bovenste patroon van de rectenna 2-D x's in plaats van 1D-strepen, om infrarood licht over alle polarisaties te absorberen; het herontwerpen van de gelijkrichtlaag als een dubbelfasige gelijkrichter in plaats van de huidige halfgolfgelijkrichter; en het maken van de infrarood rectenna op een dunnere siliciumwafel om vermogensverlies als gevolg van weerstand te minimaliseren.

Door een verbeterd ontwerp en een grotere conversie-efficiëntie, het vermogen per oppervlakte-eenheid zal toenemen. Davids denkt dat binnen vijf jaar, de infrarood rectenna kan een goed alternatief zijn voor RTG's voor compacte voedingen.

Shank zei, "We moeten blijven verbeteren om vergelijkbaar te zijn met RTG's, maar de rectenna's zullen nuttig zijn voor elke toepassing waarbij je iets nodig hebt om lang betrouwbaar te werken en waar je niet naar binnen kunt gaan en gewoon de batterij kunt vervangen. Echter, we gaan geen alternatief zijn voor zonnepanelen als stroombron op netschaal, in ieder geval niet op korte termijn."

Davids heeft toegevoegd, "We zijn het probleem aan het oplossen en nu beginnen we op het punt te komen waarop we relatief grote winsten zien in stroomconversie, en ik denk dat er een weg vooruit is als alternatief voor thermo-elektrische systemen. Het voelt goed om op dit punt te komen. Het zou geweldig zijn als we het kunnen opschalen en de wereld kunnen veranderen."