(Phys.org) -- Onderzoekers ontwikkelen een techniek die nanotechnologie gebruikt om energie te oogsten uit hete leidingen of motoronderdelen om mogelijk energie terug te winnen die in fabrieken wordt verspild, energiecentrales en auto's.

"De lelijke waarheid is dat 58 procent van de energie die in de Verenigde Staten wordt opgewekt, wordt verspild als warmte, " zei Yue Wu, een Purdue University-assistent-professor chemische technologie. "Als we maar 10 procent terug zouden kunnen krijgen, zou dat ons in staat stellen het energieverbruik en de uitstoot van elektriciteitscentrales aanzienlijk te verminderen."

Onderzoekers hebben glasvezels gecoat met een nieuw "thermo-elektrisch" materiaal dat ze hebben ontwikkeld. Wanneer thermo-elektrische materialen aan één kant worden verwarmd, stromen elektronen naar de koelere kant, het opwekken van een elektrische stroom.

Gecoate vezels kunnen ook worden gebruikt om een ​​koeltechnologie in vaste toestand te creëren waarvoor geen compressoren en chemische koelmiddelen nodig zijn. De vezels kunnen in een stof worden geweven om verkoelende kledingstukken te maken.

De glasvezels worden gedompeld in een oplossing die nanokristallen van loodtelluride bevat en vervolgens blootgesteld aan hitte in een proces dat gloeien wordt genoemd om de kristallen samen te smelten.

Dergelijke vezels kunnen om industriële leidingen in fabrieken en elektriciteitscentrales worden gewikkeld, evenals op automotoren en auto-uitlaatsystemen, om veel van de verspilde energie terug te winnen. De technologie voor het oogsten van energie kan de hoeveelheid warmte die verloren gaat drastisch verminderen, zei Wu.

De bevindingen werden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die vorige maand in het tijdschrift verscheen Nano-brieven. Het papier is geschreven door Daxin Liang, een voormalige Purdue-uitwisselingsstudent van de Jilin University in China; Purdue-afgestudeerde studenten Scott Finefrock en Haoran Yang; en Wu.

De hoogwaardige thermo-elektrische materialen van tegenwoordig zijn broos, en de apparaten zijn gevormd uit grote schijven of blokken.

"Dit soort productiemethodes vereist het gebruik van veel materiaal, ' zei Wu.

De nieuwe flexibele apparaten zouden zich aanpassen aan de onregelmatige vormen van motoren en uitlaatpijpen, terwijl ze een kleine fractie van het materiaal zouden gebruiken dat nodig is voor conventionele thermo-elektrische apparaten.

"Deze aanpak levert hetzelfde prestatieniveau op als conventionele thermo-elektrische materialen, maar vereist het gebruik van veel minder materiaal, wat leidt tot lagere kosten en praktisch is voor massaproductie, ' zei Wu.

De nieuwe aanpak belooft een methode die kan worden opgeschaald naar industriële processen, massaproductie mogelijk maken.

"We hebben een materiaal gedemonstreerd dat voornamelijk uit glas bestaat met slechts een 300 nanometer dikke coating van loodtelluride, Finefrock zei. "Dus terwijl de huidige thermo-elektrische apparaten grote hoeveelheden van het dure element tellurium nodig hebben, ons materiaal bevat slechts 5 procent tellurium. We zien massaproductie voor het snel coaten van de vezels in een reel-to-reel-proces."

Naast het opwekken van elektriciteit bij blootstelling aan hitte, de materialen kunnen ook op een omgekeerde manier worden bediend:door het aanleggen van een elektrische stroom neemt het warmte op, die een mogelijke solid-state airconditioningsmethode vertegenwoordigen. Dergelijke vezels kunnen ooit in koelkleding worden geweven of in andere koeltechnologieën worden gebruikt.

De onderzoekers hebben aangetoond dat het materiaal een veelbelovende thermo-elektrische efficiëntie heeft, die wordt gemeten met behulp van een formule om een ​​meeteenheid genaamd ZT te bepalen. Een belangrijk onderdeel van de formule is de "Seebeck-coëfficiënt, " genoemd naar de 19e-eeuwse Duitse natuurkundige Thomas Seebeck, die het thermo-elektrisch effect ontdekte.

ZT wordt gedefinieerd door de Seebeck-coëfficiënt, samen met de elektrische en thermische geleidbaarheid van het materiaal en andere factoren. Met een lage thermische geleidbaarheid, een hoge Seebeck-coëfficiënt en elektrische geleidbaarheid resulteren in een hoog ZT-getal.

"Het is moeilijk om al deze drie parameters tegelijkertijd te optimaliseren, want als je de elektrische geleidbaarheid verhoogt, en de thermische geleidbaarheid stijgt, de Seebeck-coëfficiënt daalt, ' zei Wu.

De meeste thermo-elektrische materialen in commercieel gebruik hebben een ZT van 1 of lager. Echter, nanogestructureerde materialen kunnen worden gebruikt om de thermische geleidbaarheid te verminderen en het ZT-getal te verhogen.

De Purdue-onderzoekers hebben het ZT-getal gebruikt om de maximale efficiëntie te berekenen die theoretisch mogelijk is met een materiaal.

"We analyseren de materiële overvloed, de kosten, toxiciteit en prestaties, en we hebben een enkele parameter vastgesteld, de efficiëntieratio, ' zei Wu.

Hoewel er hoogwaardige thermo-elektrische materialen zijn ontwikkeld, de materialen zijn niet praktisch voor wijdverbreide industriële toepassingen.

"De hogere prestaties van vandaag hebben een gecompliceerde samenstelling, waardoor ze duur en moeilijk te vervaardigen zijn, " zei Wu. "Ook, ze bevatten giftige stoffen, zoals antimoon, die thermo-elektrisch onderzoek beperkt."

De nanokristallen zijn een cruciaal ingrediënt, gedeeltelijk omdat de interfaces tussen de kleine kristallen dienen om de vibratie van de kristalroosterstructuur te onderdrukken, het verminderen van thermische geleidbaarheid. De materialen kunnen "kwantumopsluiting, " waarin de structuren zo klein zijn dat ze zich bijna als individuele atomen gedragen.

"Dit betekent dat, omdat elektronen warmte door de structuren transporteren, de gemiddelde spanning van die warmtedragende elektronen is hoger dan in grotere structuren, ' zei Finefrock. 'Omdat je elektronen met een hoger voltage hebt, je kunt meer stroom opwekken."

Deze opsluiting kan het ZT-nummer verhogen.

Voor het vezelcoatingconcept is een Amerikaanse octrooiaanvraag ingediend.

Toekomstig werk zou zich kunnen concentreren op gloeien bij hogere temperaturen om de efficiëntie te verbeteren, en de onderzoekers onderzoeken ook een andere methode om gloeien helemaal te elimineren, waardoor het mogelijk zou kunnen zijn om polymeervezels te coaten in plaats van glas.

"Polymeren kunnen worden geweven tot een draagbaar apparaat dat een verkoelend kledingstuk kan zijn, ' zei Wu.

De onderzoekers kunnen ook werken aan het coaten van de glasvezels met een polymeer om de veerkracht van het thermo-elektrische materiaal te verbeteren, die de neiging heeft om kleine scheurtjes te ontwikkelen wanneer de vezels onder scherpe hoeken worden gebogen.

Onderzoekers demonstreerden het concept met een experiment met behulp van een systeem met buizen van verschillende diameters die in een grotere buis waren genest. Warm water stroomt door een centrale buis en koeler water stroomt door een buitenste buis, met daartussen een laag thermo-elektrisch materiaal.

De Purdue-onderzoekers onderzoeken ook andere materialen in plaats van lood en tellurium, die giftig zijn, en voorlopige bevindingen suggereren dat deze nieuwe materialen in staat zijn tot een hoge ZT-waarde.

"Natuurlijk, het feit dat ons proces zo'n kleine hoeveelheid materiaal gebruikt - een laag van slechts 300 nanometer dik - minimaliseert het toxiciteitsprobleem, " zei Wu. "Echter, we concentreren ons ook op materialen die niet giftig en overvloedig zijn."