De zoektocht naar thermo-elektriciteit, exotische materialen die warmte direct omzetten in elektriciteit, heeft een boost gekregen van onderzoekers van het California Institute of Technology en de University of Tokyo, die de beste manier hebben gevonden om ze te identificeren.

In het nieuwe open access tijdschrift APL-materialen , het team laat zien dat een relatief eenvoudige techniek, de 'rigid band approach' genaamd, de eigenschappen van een materiaal nauwkeuriger kan voorspellen dan een concurrerende, ingewikkelder methode.

"De rigide bandbenadering levert nog steeds de eenvoudige, voorspellende technische concepten die we nodig hebben voor het ontdekken van vruchtbare thermo-elektrische materiaalsamenstellingen, " zegt G. Jeffrey Snyder, een Caltech faculteitsmedewerker in materiaalkunde, die het onderzoek leidde.

Thermo-elektriciteit wordt sinds de jaren vijftig gebruikt om ruimtevaartuigen aan te drijven door de warmte van radioactief verval om te zetten in elektriciteit. Hun ongebruikelijke eigenschappen komen voort uit complexe interacties tussen de vele elektronen die zijn geassocieerd met de atomen in legeringen van zware metalen zoals lood, bismut, telluur en antimoon.

Zonder bewegende delen, thermo-elektrische generatoren zijn stil en uiterst betrouwbaar, minimaal onderhoud nodig hebben. Echter, de generatoren zijn relatief inefficiënt (meestal minder dan 10 procent) en de materialen die nodig zijn om ze te bouwen zijn duur - factoren die het wijdverbreide gebruik ervan hebben verhinderd en de thermo-elektriciteit beperkt tot nichetoepassingen zoals ruimtevaartuigen of wijnkoelkasten.

In recente jaren, echter, de behoefte aan meer energie-efficiëntie en niet-koolstofgebaseerde energieopwekking heeft geleid tot hernieuwde belangstelling voor thermo-elektriciteit. Met verbeteringen, onderzoekers geloven dat de materialen goedkope elektriciteit kunnen opwekken uit anders verspilde warmte die wordt geproduceerd door motoren en fabrieksovens.

"Als we hun efficiëntie zouden kunnen verdubbelen, dan kunnen thermo-elektrische modules die zijn ingebouwd in het uitlaatsysteem van een automotor voldoende vermogen genereren om de dynamo te vervangen, waardoor het benzineverbruik van de auto zou toenemen, ' zei Snoeder.

De uitdaging voor wetenschappers is om legeringssamenstellingen te kiezen, kristalgroottes en additieven, (ook wel doteringen genoemd), wat een hoog thermo-elektrisch rendement zou opleveren. Met een uitputtend aantal mogelijke combinaties om uit te kiezen, wetenschappers gebruiken theoretische berekeningen om hun zoektocht naar veelbelovende materialen te begeleiden. De extreme complexiteit van de materialen, echter, vereist dat theoretici verschillende veronderstellingen maken die elk tot verschillende benaderingen hebben geleid.

De meest gebruikelijke benadering is de "rigid band"-benadering, die een relatief eenvoudig model biedt van de elektronische structuur van een materiaal, en de meer complexe "supercell"-benadering, die een gedetailleerd beeld geeft van zijn ideale atomaire rangschikking. Sommige wetenschappers hebben gezegd dat de rigide-bandbenadering te eenvoudig en onnauwkeurig is om bruikbaar te zijn.

Het team van Snyder rapporteerde precies het tegenovergestelde resultaat. Hun berekeningen toonden aan dat de rigide-bandbenadering eigenlijk nauwkeuriger was dan de supercelmethode bij het voorspellen van de waargenomen eigenschappen van een populair thermo-elektrisch - loodtelluride - gedoteerd met een kleine hoeveelheid natrium, kalium of thallium.

"Supercell-benaderingen zijn nauwkeurig voor zeer specifieke doteringsgevallen, maar ze houden geen rekening met de verschillende gebreken die aanwezig zijn in echte materialen, " zei Snyder. Door het eenvoudigere model met stijve banden te gebruiken, hij voegde toe, wetenschappers moeten in staat zijn om sneller veelbelovende nieuwe en efficiëntere thermo-elektrische composities te identificeren.