(PhysOrg.com) -- Natuurkundigen van de Universiteit van Arizona hebben een nieuwe manier ontdekt om restwarmte te oogsten en om te zetten in elektrische energie. Profiteren van kwantumeffecten, de technologie belooft veel voor het maken van auto's, energiecentrales, fabrieken en zonnepanelen efficiënter.

Wat doet een automotor, een elektriciteitscentrale, een fabriek en een zonnepaneel gemeen hebben? Ze genereren allemaal warmte, waarvan een groot deel wordt verspild.

Natuurkundigen van de Universiteit van Arizona hebben een nieuwe manier ontdekt om restwarmte te oogsten en om te zetten in elektrische energie.

Met behulp van een theoretisch model van een zogenaamd moleculair thermo-elektrisch apparaat, de technologie belooft veel voor het maken van auto's, energiecentrales, fabrieken en zonnepanelen efficiënter, om een ​​paar mogelijke toepassingen te noemen. In aanvulling, efficiëntere thermo-elektrische materialen zouden ozonafbrekende chloorfluorkoolwaterstoffen maken, of CFK's, verouderd.

De onderzoeksgroep onder leiding van Charles Stafford, universitair hoofddocent natuurkunde, publiceerde zijn bevindingen in het septembernummer van het wetenschappelijke tijdschrift, ACS Nano .

"Thermo-elektriciteit maakt het mogelijk om warmte direct om te zetten in elektrische energie in een apparaat zonder bewegende delen, " zei hoofdauteur Justin Bergfield, een promovendus aan het UA College of Optical Sciences.

"Onze collega's in het veld vertellen ons dat ze er vrij zeker van zijn dat de apparaten die we op de computer hebben ontworpen, kunnen worden gebouwd met de kenmerken die we in onze simulaties zien."

"We verwachten dat de thermo-elektrische spanning met behulp van ons ontwerp ongeveer 100 keer groter zal zijn dan wat anderen in het laboratorium hebben bereikt, ', voegt Stafford toe.

Het opvangen van de energie die verloren gaat door restwarmte stond al lang op het verlanglijstje van ingenieurs, maar, tot dusver, een concept voor het vervangen van bestaande apparaten dat zowel efficiënter als economisch concurrerend is, ontbrak.

In tegenstelling tot bestaande apparaten voor warmteconversie, zoals koelkasten en stoomturbines, de apparaten van Bergfield en Stafford vereisen geen mechanica en geen chemicaliën die de ozonlaag aantasten. In plaats daarvan, een rubberachtig polymeer ingeklemd tussen twee metalen die als elektroden werken, kan het lukken.

Uitlaatpijpen van auto's of fabrieken kunnen bedekt zijn met het materiaal, minder dan 1 miljoenste van een inch dik, om energie te oogsten die anders verloren gaat als warmte en elektriciteit op te wekken.

De natuurkundigen profiteren van de wetten van de kwantumfysica, een domein dat doorgaans niet wordt aangeboord bij het ontwerpen van energieopwekkingstechnologie. Aan de niet-ingewijden, de wetten van de kwantumfysica lijken haaks te staan ​​op hoe dingen zich 'verondersteld' te gedragen.

De sleutel tot de technologie ligt in een kwantumwet die natuurkundigen golf-deeltjesdualiteit noemen:kleine objecten zoals elektronen kunnen zich als een golf of als een deeltje gedragen.

"In zekere zin een elektron is als een rode sportwagen, "Zei Bergfield. "De sportwagen is zowel een auto als hij is rood, net zoals het elektron zowel een deeltje als een golf is. De twee zijn eigenschappen van hetzelfde. Elektronen zijn voor ons gewoon minder voor de hand liggend dan sportwagens."

Bergfield en Stafford ontdekten het potentieel om warmte om te zetten in elektriciteit toen ze polyfenylethers bestudeerden, moleculen die spontaan aggregeren tot polymeren, lange ketens van herhalende eenheden. De ruggengraat van elk polyfenylethermolecuul bestaat uit een keten van benzeenringen, die op hun beurt zijn opgebouwd uit koolstofatomen. De kettingschakelstructuur van elk molecuul fungeert als een "moleculaire draad" waardoor elektronen kunnen reizen.

"We hadden allebei eerder met deze moleculen gewerkt en dachten erover om ze te gebruiken voor een thermo-elektrisch apparaat, "Bergfield zei, "maar we hadden niet echt iets bijzonders over hen gevonden tot Michelle Solis, een student die aan onafhankelijk onderzoek in het laboratorium werkte, ontdekte dat, lage en ziet, deze dingen hadden een speciale functie."

Met behulp van computersimulaties, Bergfield "groeide" vervolgens een woud van moleculen tussen twee elektroden en stelde de array bloot aan een gesimuleerde warmtebron.

"Als je het aantal benzeenringen in elk molecuul verhoogt, je verhoogt het opgewekte vermogen, ' zei Bergfield.

Het geheim van het vermogen van de moleculen om warmte in kracht om te zetten, ligt in hun structuur:als water dat een splitsing in een rivier bereikt, de stroom van elektronen langs het molecuul wordt in tweeën gesplitst zodra het een benzeenring tegenkomt, met één stroom elektronen langs elke arm van de ring.

Bergfield ontwierp het benzeenringcircuit zo dat in het ene pad het elektron gedwongen wordt een grotere afstand rond de ring af te leggen dan het andere. Dit zorgt ervoor dat de twee elektronengolven uit fase zijn zodra ze herenigd zijn bij het bereiken van de andere kant van de benzeenring. Als de golven elkaar ontmoeten, ze heffen elkaar op in een proces dat bekend staat als kwantuminterferentie. Wanneer een temperatuurverschil over het circuit wordt geplaatst, deze onderbreking in de stroom van elektrische lading leidt tot de opbouw van een elektrische potentiaal - spanning - tussen de twee elektroden.

Golfinterferentie is een concept dat wordt gebruikt door hoofdtelefoons met ruisonderdrukking:inkomende geluidsgolven worden opgevangen door tegengolven die door het apparaat worden gegenereerd, het beledigende geluid wegvagen.

"Wij zijn de eersten die het golfkarakter van het elektron benutten en een concept ontwikkelen om het om te zetten in bruikbare energie, ' zei Stafford.

Analoog aan solid state versus draaiend computergeheugen van het type harde schijf, de UA-ontworpen thermo-elektrische apparaten hebben geen bewegende delen nodig. Met opzet, ze zijn op zichzelf staand, gemakkelijker te vervaardigen en gemakkelijker te onderhouden in vergelijking met de momenteel beschikbare technologie.

"Je zou gewoon een paar metalen elektroden kunnen nemen en ze beschilderen met een enkele laag van deze moleculen, ' zei Bergfield. 'Dat zou je een klein broodje opleveren dat als je thermo-elektrische apparaat zou dienen. Met een solid-state apparaat heb je geen koelmiddelen nodig, u heeft geen zendingen met vloeibare stikstof nodig, en je hoeft niet veel onderhoud te doen."

"Je kan zeggen, in plaats van freongas, we gebruiken elektronengas, ', voegt Stafford toe.

"De effecten die we zien zijn niet uniek voor de moleculen die we in onze simulatie hebben gebruikt, "Zei Bergfield. "Elk apparaat op kwantumschaal waarbij je een elektrische lading opheft, zal het lukken, zolang er een temperatuurverschil is. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe meer stroom je kunt opwekken."

Moleculaire thermo-elektrische apparaten kunnen helpen bij het oplossen van een probleem waarmee fotovoltaïsche cellen momenteel energie uit zonlicht halen.

"Zonnepanelen worden erg heet en hun efficiëntie daalt, "Zei Stafford. "Je zou een deel van die warmte kunnen oogsten en gebruiken om extra elektriciteit op te wekken, terwijl je tegelijkertijd het paneel koelt en het eigen fotovoltaïsche proces efficiënter maakt."

"Met een zeer efficiënt thermo-elektrisch apparaat op basis van ons ontwerp, je zou ongeveer 200 gloeilampen van 100 watt van stroom kunnen voorzien met de afvalwarmte van een auto, zei hij. Anders gezegd, men zou de efficiëntie van de auto met meer dan 25 procent kunnen verhogen, wat ideaal zou zijn voor een hybride omdat die al een elektromotor gebruikt."

Dus, de volgende keer dat je een rode sportwagen voorbij ziet razen, denk aan de verborgen kracht van het elektron en hoeveel efficiënter die sportwagen zou kunnen zijn met een thermo-elektrisch apparaat dat om zijn uitlaatpijp is gewikkeld.