(Phys.org)—Momenteel, tot 75% van de energie die door de motor van een auto wordt opgewekt, gaat verloren als afvalwarmte. In theorie, een deel van deze restwarmte kan worden omgezet in elektriciteit met behulp van thermo-elektrische apparaten, hoewel de efficiëntie van deze apparaten tot nu toe te laag was om wijdverbreide commercialisering mogelijk te maken.

Nu in een nieuwe studie, natuurkundigen hebben aangetoond dat een thermo-elektrisch apparaat gemaakt van nanodraden een voldoende hoge efficiëntie kan bereiken om industrieel concurrerend te zijn, mogelijk leidend tot verbeteringen in het brandstofverbruik en andere toepassingen.

De wetenschappers, Khandker A. Muttalib en Selman Hershfield, beide professoren natuurkunde aan de Universiteit van Florida in Gainesville, hebben een artikel gepubliceerd over het nieuwe thermo-elektrische apparaat in een recent nummer van: Fysieke beoordeling toegepast .

Naast het terugwinnen van energie uit de afvalwarmte van verbrandingsmotoren in voertuigen, thermo-elektrische apparaten kunnen ook soortgelijke functies vervullen in de motoren van schepen, evenals in elektriciteitscentrales, productie raffinaderijen, en andere plaatsen die grote hoeveelheden restwarmte produceren.

In hun krant de wetenschappers leggen uit dat het gebruik van bulkmaterialen in thermo-elektrische apparaten inherent inefficiënt is gebleken, maar nano-engineered materialen lijken veelbelovender. Het nieuwe apparaat bestaat eenvoudigweg uit twee grote kabels met verschillende temperaturen die zijn verbonden door verschillende niet-interagerende, zeer dunne nanodraden. Elke nanodraad zendt stroom van de warmere draad naar de koudere draad, en veel parallel geschakelde nanodraden kunnen het vermogen tot een hoog niveau opschalen.

Een van de grootste uitdagingen voor thermo-elektrische apparaten is dat de omstandigheden die de efficiëntie en het uitgangsvermogen van een apparaat optimaliseren, verschillend zijn voor verschillende temperatuurgradiënten tussen de twee kabels en voor verschillende elektrische belastingen (hoeveel stroom wordt er op een bepaald moment verbruikt). Door deze complexiteit, het optimale apparaat voor een bepaalde temperatuurgradiënt en belasting werkt mogelijk lang niet zo goed voor een andere temperatuurgradiënt of belasting.

De onderzoekers hier hebben een manier gevonden om dit probleem te omzeilen door een spanning op de nanodraden aan te brengen, waardoor stroom alleen langs de nanodraden kan worden overgedragen bij energieën boven een bepaalde waarde. Deze waarde is afhankelijk van de temperatuurgradiënt en de belasting, die variëren, maar de aangelegde spanning kan ook worden gevarieerd om de krachtoverbrenging af te stemmen en tegelijkertijd het vermogen en de efficiëntie van het apparaat te optimaliseren.

Het gebruik van nanodraden om de leads aan te sluiten heeft ook een praktisch voordeel in vergelijking met het gebruik van andere materialen. Hoewel veel andere kandidaatmaterialen moeilijk betrouwbaar te vervaardigen zijn, nanodraden betrouwbaar en controleerbaar kunnen worden vervaardigd, wat belangrijk is voor het realiseren van de precieze optimale afmetingen.

Hoewel de theoretische analyse van de fysici suggereert dat het voorgestelde apparaat aanzienlijke prestatievoordelen zou kunnen hebben ten opzichte van de huidige apparaten, ze waarschuwen dat het te vroeg is om definitieve schattingen te maken.

"Elke schatting op dit punt zal onbetrouwbaar zijn omdat er zoveel manieren zijn om warmte te verliezen in elk praktisch apparaat dat ons theoretische voorstel geen rekening houdt, "Moettalib vertelde" Phys.org . "Zelfs dan, we gaven een zeer ruwe schatting in onze paper waarbij zowel de efficiëntie als het vermogen kunnen worden afgestemd (met een poortspanning) om aanzienlijk groter te zijn dan enig commercieel apparaat dat momenteel beschikbaar is. Merk op dat er andere theoretische voorstellen zijn met een groot rendement maar zonder voldoende vermogen, en daardoor praktisch niet bruikbaar."

Het belangrijkste is, de natuurkundigen hopen dat de nieuwe ideeën die hier worden gepresenteerd nieuwe manieren van denken over thermo-elektrische technologie kunnen inspireren.

"Misschien is de grootste betekenis een mogelijke paradigmaverschuiving in het ontwerp van thermo-elektrische apparaten, "Zei Muttalib. "Momenteel, de focus van de gemeenschap ligt overwegend in het zogenaamde 'lineaire respons'-regime (waar de temperatuur- en spanningsgradiënten over het materiaal dat de warme en koude leidingen verbindt klein zijn); de prestaties van dergelijke apparaten zijn uitsluitend afhankelijk van de eigenschappen van het verbindingsmateriaal. Hierdoor zijn de huidige inspanningen beperkt gebleven tot het vinden of ontwerpen van een 'goed' thermo-elektrisch materiaal. Ons werk suggereert dat, in het 'niet-lineaire' regime, de prestatie van het apparaat hangt ook in grote mate af van de parameters van de kabels en de belastingen; de optimalisatie van de prestaties in dergelijke gevallen heeft veel meer interessante mogelijkheden om te verkennen."

Hoewel dit werk veel nieuwe mogelijke richtingen biedt voor toekomstig onderzoek, Muttalib en Hershfield hopen dat het andere wetenschappers zijn die de technologie vooruithelpen.

"We zijn allebei theoretische fysici die onderzoek doen in de basiswetenschappen, en in het bijzonder zijn we geen experts in apparaattechnologie, "Zei Muttalib. "We kwamen het huidige idee tegen toen we probeerden de effecten van niet-lineaire respons op elektronentransport in nanosystemen te begrijpen. We hopen dat experimentatoren en apparaatingenieurs ons werk interessant zullen vinden en het zullen nastreven om een ​​echt apparaat te bouwen. Ons volgende plan op dit algemene gebied is om te begrijpen, opnieuw op een zeer fundamenteel theoretisch niveau, de effecten van fononen of roostertrillingen in nanosystemen in het algemeen; het is bekend dat deze effecten ook belangrijk zijn voor thermo-elektrische apparaten."

Het op nanodraad gebaseerde thermo-elektrische apparaat is niet het enige nieuwe thermo-elektrische ontwerp dat recentelijk is verschenen. In hetzelfde nummer van Fysieke beoordeling toegepast , Riccardo Bosisio, et al., bij Service de Physique de l'Etat Condensé in Frankrijk hebben een thermo-elektrisch apparaat ontwikkeld waarin de elektronen door de nanodraden reizen door "phonon-assisted hopping, " waar de fononen trillingen zijn die warmte dragen.

© 2015 Fys.org