(PhysOrg.com) -- Afvalwarmte is een bijproduct van bijna alle elektrische apparaten en industriële processen, van het besturen van een auto tot het besturen van een vliegtuig of het bedienen van een elektriciteitscentrale. Technische onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute hebben nieuwe nanomaterialen ontwikkeld die kunnen leiden tot technieken om deze afvalwarmte beter af te vangen en aan het werk te zetten. De belangrijkste ingrediënten voor het maken van pellets ter grootte van een knikker van het nieuwe materiaal zijn aluminium en een veel voorkomende, alledaagse magnetron.

Het oogsten van elektriciteit uit restwarmte vereist een materiaal dat goed is in het geleiden van elektriciteit, maar slecht in het geleiden van warmte. Een van de meest veelbelovende kandidaten voor deze baan is zinkoxide, een niet-toxisch, goedkoop materiaal met een hoog smeltpunt. Hoewel er nano-engineeringtechnieken bestaan ​​om de elektrische geleidbaarheid van zinkoxide te verhogen, de hoge thermische geleidbaarheid van het materiaal is een wegversperring voor de effectiviteit ervan bij het verzamelen en omzetten van afvalwarmte. Omdat thermische en elektrische geleidbaarheid verwante eigenschappen zijn, het is erg moeilijk om de ene te verminderen zonder ook de andere te verminderen.

Echter, een team van onderzoekers onder leiding van Ganpati Ramanath, professor aan de afdeling Materials Science and Engineering van Rensselaer, in samenwerking met de Universiteit van Wollongong, Australië, hebben een nieuwe manier aangetoond om de thermische geleidbaarheid van zinkoxide te verminderen zonder de elektrische geleidbaarheid te verminderen. De innovatie omvat het toevoegen van minieme hoeveelheden aluminium aan zinkoxide, en het verwerken van de materialen in een magnetron. Het proces is een bewerking van een techniek die bij Rensselaer is uitgevonden door Ramanath, afgestudeerde student Rutvik Mehta, en Theo Borca-Tasciuc, universitair hoofddocent bij de vakgroep Werktuigbouwkunde, ruimtevaart, en nucleaire techniek (MANE). Dit werk zou de deur kunnen openen naar nieuwe technologieën voor het oogsten van restwarmte en het maken van zeer energiezuinige auto's, vliegtuigen, energiecentrales, en andere systemen.

“Het oogsten van restwarmte is een zeer aantrekkelijke propositie, omdat we de warmte kunnen omzetten in elektriciteit en het kunnen gebruiken om apparaten van stroom te voorzien - zoals in een auto of een jet - is dat in de eerste plaats de warmte aan het creëren. Dit zou leiden tot meer efficiëntie in bijna alles wat we doen en, uiteindelijk, onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen, ' zei Ramanath. “Wij zijn de eersten die zulke gunstige thermo-elektrische eigenschappen aantonen in hoge temperatuur materialen in bulkformaat, en we zijn van mening dat onze ontdekking de weg zal effenen voor nieuwe apparaten voor het oogsten van energie uit afvalwarmte.”

De resultaten van het onderzoek worden gedetailleerd beschreven in het artikel "Al-Doped Zinc Oxide Nanocomposites with Enhanced Thermoelectric Properties, ” onlangs gepubliceerd door het tijdschrift Nano-letters . Bekijk de krant online op:pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl202439h

Om het nieuwe nanomateriaal te maken, onderzoekers voegden minieme hoeveelheden aluminium toe aan vormgecontroleerde nanokristallen van zinkoxide, en verwarmde ze in een magnetron van $ 40. Het team van Ramanath is in staat om binnen enkele minuten enkele grammen van het nanomateriaal te produceren, wat genoeg is om een ​​apparaat van enkele centimeters lang te maken. Het proces is goedkoper en schaalbaarder dan conventionele methoden en is milieuvriendelijk, zei Ramanath. In tegenstelling tot veel nanomaterialen die direct op een substraat of oppervlak worden gefabriceerd, deze nieuwe microgolfmethode kan korrels van nanomaterialen produceren die op verschillende oppervlakken kunnen worden aangebracht. Deze attributen, samen met lage thermische geleidbaarheid en hoge elektrische geleidbaarheid, zijn zeer geschikt voor toepassingen met warmtewinning.

"Onze ontdekking zou de sleutel kunnen zijn tot het overwinnen van grote fundamentele uitdagingen in verband met het werken met thermo-elektrische materialen, ', zegt projectmedewerker Borca-Tasciuc. “Bovendien, ons proces is vatbaar voor schaalvergroting voor grootschalige productie. Het is echt verbazingwekkend dat een paar atomen aluminium kunnen samenspannen om ons thermo-elektrische eigenschappen te geven waarin we geïnteresseerd zijn.”