Voel je de warmte van je computer of mobiele telefoon komen? Dat is verspilde energie die uit het apparaat straalt. Met auto's, er wordt geschat dat 60% van de brandstofefficiëntie verloren gaat als gevolg van afvalwarmte. Is het mogelijk om deze energie op te vangen en om te zetten in elektriciteit?

Onderzoekers die werkzaam zijn op het gebied van thermo-elektrische energieopwekking zeggen absoluut. Maar of het kosteneffectief kan, blijft een vraag.

Voor nu, thermo-elektrische generatoren zijn een zeldzaamheid, voornamelijk gebruikt in nichetoepassingen zoals ruimtesondes, waar tanken niet mogelijk is. Thermo-elektriciteit is een actief onderzoeksgebied, vooral bij autobedrijven als BMW en Audi. Echter, daten, de kosten van het omzetten van warmte in elektriciteit zijn duurder gebleken dan de elektriciteit zelf.

Anveeksh Koneru, een hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Permian Basin van de Universiteit van Texas (UTPB), onderzoekt een nieuwe methode voor het opvangen van restwarmte door gebruik te maken van de kwantummechanische bewegingen van elektronen in spingepolariseerde materialen.

In de deeltjesfysica, spin is een intrinsieke vorm van impulsmoment gedragen door elementaire deeltjes, composietdeeltjes (hadronen), en atoomkernen. Via een mechanisme dat bekend staat als het Spin Hall-effect, het is aangetoond dat een spanning kan worden gegenereerd door gebruik te maken van verschillen in spinpopulaties op een metalen contact dat op een ferromagnetisch materiaal is bevestigd. Voor het eerst experimenteel aangetoond door Japanse onderzoekers in 2008, het idee is al een tijdje door de materiaalwetenschap gesijpeld, maar heeft zijn optimale vorm nog niet gevonden.

Koneru gelooft dat, in kobaltoxide, hij heeft misschien het juiste materiaal gevonden om het effect voor energieproductie te benutten. Een anorganische verbinding die in de keramiekindustrie wordt gebruikt om blauwgekleurde glazuren te maken, en in waterscheidingstechnologieën, kobaltoxiden hebben het unieke vermogen om vervangende overgangsmetaalkationen te accepteren, waardoor ze kunnen worden gemengd met nikkel, koper, mangaan, of zink. Deze metalen hebben magnetische eigenschappen die de scheiding tussen op en neer draaiende elektronen kunnen vergroten en de omzetting van warmte in elektriciteit kunnen verbeteren.

"Het materiaal moet een goede elektrische geleider zijn, maar een slechte warmtegeleider. Het moet elektronen geleiden, maar geen fononen, die warmte zijn, " zei Koneru. "Om dit experimenteel te bestuderen, we zouden duizenden verschillende combinaties van materialen moeten fabriceren. In plaats daarvan, we proberen theoretisch te berekenen wat de optimale configuratie van het materiaal is met behulp van substituties."

Sinds 2018, Koneru heeft supercomputers gebruikt in het Texas Advanced Computing Center (TACC) om de energieprofielen van een verscheidenheid aan kobaltoxiden met een reeks substituties virtueel te testen.

"Elke kalibratie kost 30 tot 40 uur rekentijd, en we moeten minstens een 1 studeren 000 tot 1, 500 verschillende configuraties, " legde hij uit. "Het vereist een enorme rekenfaciliteit en dat is wat TACC biedt."

Koneru, samen met UTPB-afgestudeerde studenten Gustavo Damis Resende, Nolan Hines, en een medewerker van de West Virginia University, Terence Musho, presenteerden hun eerste bevindingen over de thermo-elektrische capaciteit van kobaltoxiden op de Materials Research Society Spring Meeting in Phoenix, Arizona, op 22 april.

De onderzoekers bestudeerden 56-atoomeenheidscellen van drie configuraties van kobaltoxide, afgestemd door substituties van nikkel en zink, om optimale thermo-elektrische prestaties te bereiken. Ze gebruikten een softwarepakket dat bekend staat als Quantum ESPRESSO om de fysieke kenmerken voor elke configuratie te berekenen. Waaronder:

• de band gap:de minimale energie die nodig is om een ​​elektron in een toestand te brengen waarin het energie geleidt; de roosterparameter:de fysieke afmetingen van cellen in een kristalrooster;
• de effectieve massa van geleidingselektronen:de massa die een deeltje lijkt te hebben wanneer het reageert op kracht;
• en de spinpolarisatie:de mate waarin de spin is uitgelijnd met een bepaalde richting.

Deze fundamentele eigenschappen werden vervolgens gebruikt om conventionele ladings- en spintransportberekeningen uit te voeren, die de onderzoekers vertelt hoe goed een configuratie van het kobaltoxide warmte kan omzetten in elektriciteit.

Volgens de onderzoekers is de in dit onderzoek ontwikkelde methode kan worden toegepast op andere interessante thermo-elektrische materialen met halfgeleidende en magnetische eigenschappen, waardoor het breed bruikbaar is voor de materiaalwetenschappelijke gemeenschap.

DE UT-ONDERZOEKCYBERINFRASTRUCTUUR GEBRUIKEN

Als een Ph.D. student aan de Universiteit van West Virginia, Koneru had toegang tot grote supercomputers om zijn onderzoek uit te voeren. Hoewel UTPB lokaal niet over dergelijke middelen beschikt, hij kon gebruikmaken van de geavanceerde computersystemen en -diensten van TACC via het UT Research Cyberinfrastructure (UTRC) -initiatief, die, sinds 2007, heeft onderzoekers van een van de 14 instellingen van de University of Texas System toegang gegeven tot de bronnen van TACC, expertise, en training.

Als onderdeel van het UTRC-initiatief, TACC-medewerkers fungeren als liaisons, een bezoek aan de 14 campussen van UT System, het aanbieden van training en advies, en onderzoekers kennis te laten maken met de middelen die voor hen beschikbaar zijn. Toen TACC-onderzoeker Ari Kahn een bezoek bracht aan UTPB, hij ontmoette Koneru en moedigde hem aan om bij TACC te gaan rekenen.

Vanaf dat moment, Koneru gebruikt Lonestar5, een systeem exclusief voor UT Systeemonderzoekers, voor zijn werk. Hoewel ze nog in een vroeg stadium zijn, de resultaten tot nu toe zijn veelbelovend.

"Ik ben opgewonden omdat we duidelijk spinpolarisatie konden zien toen kobaltoxide-spinellen werden vervangen door nikkel. Dat is een goed teken, " zei hij. "We zien dat een bepaalde configuratie een hogere splitsing in band-gap heeft, iets dat verrassend is en dat we verder moeten onderzoeken. En alle kalibraties convergeren, waaruit blijkt dat ze betrouwbaar zijn."

Zodra hij het optimale materiaal voor de omzetting van afvalwarmte identificeert, Koneru hoopt een pasta te ontwikkelen die op de uitlaat van een voertuig kan worden aangebracht, afvalwarmte omzetten in elektriciteit om de elektrische systemen van een auto van stroom te voorzien. Hij schat dat een dergelijk apparaat minder dan $ 500 per voertuig zou kunnen kosten en de uitstoot van broeikasgassen met honderden miljoenen tonnen per jaar zou kunnen verminderen.

"Met de recente vooruitgang in nanofabricage, en computationele kalibraties voor nanomaterialen, spinthermische materialen kunnen in de toekomst een cruciale rol spelen bij de energieconversie, " hij zei.

TACC stelt Koneru in staat om snel door een groot aantal mogelijke materiaalconfiguraties te gaan, zodat wanneer het tijd is om ze experimenteel te testen, het aantal kandidaten zal beheersbaar zijn.

"TACC is zo'n zeer nuttig systeem met personeel dat u kan begeleiden als er zich problemen voordoen, "Zei Koneru. "Als docenten of studenten geïnteresseerd zijn in onderzoek waarvoor rekenfaciliteiten nodig zijn, TACC is de juiste optie om te kiezen. Het biedt gratis middelen en expertise. Het is een geweldige enabler voor alles waar je gepassioneerd over bent. "

"Het is onze missie om onderzoekers in de hele staat aan te moedigen om TACC-middelen te gebruiken om verbazingwekkende ontdekkingen te doen die niet in het laboratorium of met behulp van lokale clusters kunnen worden gedaan, " zei Ari Khan van TACC. "Dr. Het onderzoek van Koneru is een mooi voorbeeld van zo'n project dat een grote impact kan hebben op luchtvervuiling en de opwarming van de aarde."