Van je hete auto tot je warme laptop, elke machine en elk apparaat in je leven verspilt veel energie door warmteverlies. Maar thermo-elektrische apparaten, die warmte omzetten in elektriciteit en omgekeerd, kan die verspilde warmte benutten, en mogelijk de groene technologie-energie-efficiëntie bieden die nodig is voor een duurzame toekomst.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe studie laat zien hoe poreuze stoffen kunnen fungeren als thermo-elektrische materialen, wat de weg wijst voor het ontwerpen van het gebruik van dergelijke materialen in thermo-elektrische apparaten van de toekomst.

Ongeveer 70 procent van alle opgewekte energie in de wereld wordt verspild als warmte, zei Dimitris Niarchos van het Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek Demokritos in Athene, Griekenland. Hij en Roland Tarkhanyan, ook van NCSR Demokritos, hebben hun analyse in het tijdschrift gepubliceerd APL-materialen , van AIP Publishing.

Om de technologie te creëren die nodig is om deze warmte op te vangen, onderzoekers over de hele wereld hebben geprobeerd om efficiëntere thermo-elektrische materialen te ontwikkelen. Een veelbelovend materiaal is een materiaal dat is gevuld met kleine gaatjes die in grootte variëren van ongeveer een micron (10-6 meter) tot ongeveer een nanometer (10 ^-9 meter). "Poreuse thermo-elektriciteit kan een belangrijke rol spelen bij het verbeteren van thermo-elektriciteit als een levensvatbaar alternatief voor het oogsten van verspilde warmte, ' zei Niarchos.

Warmte reist door een materiaal via fononen, gekwantiseerde trillingseenheden die fungeren als warmtedragende deeltjes. Wanneer een fonon in een gat loopt, het verstrooit en verliest energie. Fononen kunnen dus niet zo efficiënt warmte over een poreus materiaal transporteren, het materiaal een lage thermische geleidbaarheid geven, wat de efficiëntie van de omzetting van warmte naar elektriciteit blijkt te verhogen. Hoe poreuzer het materiaal, hoe lager de thermische geleidbaarheid, en hoe beter het is als een thermo-elektrisch materiaal.

Tot dusver, echter, onderzoekers moeten nog systematisch modelleren hoe poreuze materialen een lage thermische geleidbaarheid behouden, zei Niarchos. Dus bestudeerden hij en Tarkhanyan de thermische eigenschappen van vier eenvoudige modelstructuren van micro-nano poreuze materialen. Deze analyse, Niarchos zegt, biedt een ruwe blauwdruk voor het ontwerpen van dergelijke materialen voor thermo-elektrische apparaten.

Algemeen, de onderzoekers ontdekten dat hoe kleiner de poriën en hoe dichter ze bij elkaar zitten, hoe lager de thermische geleidbaarheid. Hun berekeningen komen goed overeen met gegevens van andere experimenten, zei Niarchos. Ze laten ook zien dat in principe, micro-nano poreuze materialen kunnen meerdere malen beter warmte omzetten in elektriciteit dan wanneer het materiaal geen poriën had.

Het eerste model beschrijft een materiaal gevuld met gaten van willekeurige grootte, variërend van micron tot nanometer in diameter. De tweede is er een met meerdere lagen waarin elke laag poriën van verschillende grootteschalen bevat, waardoor het een andere porositeit krijgt. De derde is een materiaal dat is samengesteld uit een driedimensionaal kubisch rooster van identieke gaten. De vierde is een ander meerlagig systeem. Maar in dit geval, elke laag bevat een kubisch rooster van identieke gaten. De grootte van de gaten is in elke laag anders.

Volgens de analyse is de eerste en vierde modellen hebben een lagere thermische geleidbaarheid dan de tweede. Het derde model lijkt het beste te zijn, omdat het ook een lagere thermische geleidbaarheid heeft dan het vierde model.

Behalve het eerste model, echter, alle modellen zijn niet praktisch omdat ze geïdealiseerde situaties vertegenwoordigen met een perfecte opstelling van poriën, zei Niarchos. Het is ook praktisch onmogelijk om precies even grote poriën te creëren. Het eerste model is dus het meest realistisch.

Nog altijd, hij zei, alle verschillende modellen demonstreren het belang van porositeit in thermo-elektrische materialen. Gebouwd op eenvoudige en algemene analytische formules, de modellen maken een zeer snelle en nauwkeurige berekening van de effectieve roosterwarmtegeleiding van een poreus materiaal en de systematische analyse van dergelijke materialen mogelijk.