Machines en elektronische apparaten genereren vaak afvalwarmte die moeilijk te benutten is. Als uit deze afvalwarmte elektriciteit zou kunnen worden opgewekt, zou dat een middel zijn voor een schone en duurzame stroomproductie:een dergelijke technologie zou bij uitstek geschikt zijn voor elektronica met een laag vermogen, zoals wearables of goedkope internet-of-things-apparaten. Denk hierbij aan draagbare (medische) apparaten en sensoren, met een breed scala aan toepassingen in de zorg- en sportindustrie, in slimme gebouwen en mobiliteitstoepassingen.

Thermo-elektrische generatoren, machines die elektriciteit opwekken door gebruik te maken van temperatuurverschillen, bestaan ​​al, maar hun omzettingsrendement is over het algemeen laag en er wordt maar weinig elektriciteit geproduceerd. Om meer elektriciteit op te wekken, zijn materialen nodig die tegelijkertijd een hoge elektrische geleidbaarheid en een lage thermische geleidbaarheid hebben. Deze twee vereisten sluiten elkaar echter vaak uit.

Quantum dots als oplossing

In de afgelopen jaren hebben verschillende onderzoeksgroepen over de hele wereld aangetoond dat thermo-elektrische conversie enorm kan worden verbeterd door gebruik te maken van kwantumeffecten. Door bijvoorbeeld kwantumstippen te gebruiken die fungeren als zeer selectieve energiefilters, zijn er drastische verhogingen van de conversie-efficiëntie gerapporteerd, waarvan sommige zelfs enkele van de limieten benaderen die zijn vastgesteld door de wetten van de thermodynamica. Het probleem:de kwantummachines, ook wel kwantumwarmtemotoren genoemd, moeten worden afgekoeld tot enkele graden boven het absolute nulpunt, dus zoiets is in het dagelijks leven nauwelijks bruikbaar.

Onderzoekers van Empa kunnen dit probleem misschien oplossen en een kwantumwarmtemotor creëren die op kamertemperatuur werkt. Mickael L. Perrin, een onderzoeker in Empa's Transport at Nanoscale-lab onder leiding van Michel Calame, kwam op het idee om grafeen-nanoribbons te gebruiken - een specialiteit van Empa. De allereerste grafeen-nanoribbons werden gesynthetiseerd door een andere onderzoeksgroep bij Empa:Roman Fasel en zijn collega's van Empa's Nanotech@Surfaces-lab. De Empa-onderzoekers werken al enkele jaren aan verschillende benaderingen om elektronische apparaten te maken van dergelijke nanolinten.

Werking bij kamertemperatuur met behulp van grafeen nanoribbons

Mickael L. Perrin was in staat om grafeen nanoribbons eerder te laten gedragen als quantum dots, waarvan sommige stabiel tot een temperatuur van -123 graden Celsius, dat wil zeggen bij veel hogere temperaturen dan de quantum dots die eerder werden gebruikt voor thermo-elektrische conversie. Het doel is nu om dergelijke grafeen-nanoribbons te integreren in een kwantumwarmtemotor en deze bij kamertemperatuur te laten werken. Omdat de nanoribbons slechts enkele nanometers groot zijn, zal het om ermee in contact te komen de ontwikkeling van speciale fabricagetechnieken vereisen, die zullen worden geïmplementeerd in het Binnig en Rohrer Nanotechnology Center in het IBM Research Center in Rüschlikon. Bovendien zijn er op maat ontworpen meetsystemen nodig om de efficiëntie van de energieconversie te karakteriseren.

Als alles volgens plan verloopt, kan Perrin de komende jaren een kleine warmtemotor op een chip maken. Het zou niet alleen elektriciteit kunnen opwekken uit restwarmte, maar omgekeerd, door het werkingsprincipe om te keren, zou het ook geschikt zijn voor efficiënte koeling.

Met zijn twee succesvolle onderzoeksbeurzen begint Mickael L. Perrin de komende maanden aan zijn assistent-professorschap aan de ETH Zürich, bij de afdeling Informatietechnologie en Elektrotechniek. De komende jaren zet hij zijn onderzoek voort bij Empa, waar state-of-the-art apparatuur beschikbaar is voor de thermo-elektrische karakterisering van kwantumwarmtemotoren.

Hopelijk slechts een tijdelijke oplossing

De financiering voor het project van Perrin komt van de SNSF en het Staatssecretariaat voor Onderwijs, Onderzoek en Innovatie (SERI). Door de mislukte raamovereenkomst tussen Zwitserland en de EU is Zwitserland uitgesloten van het huidige Europese onderzoeksprogramma Horizon Europe. Om in te stappen, worden ERC Starting Grants dit jaar rechtstreeks gefinancierd door SERI. Dit is de enige manier om zeer getalenteerde jonge onderzoekers in Zwitserland te houden. Om de toegekende financiering rechtstreeks van de EU te ontvangen, zouden Mickael L. Perrin en de andere 27 begunstigden uit Zwitserland moeten verhuizen naar een buitenlandse universiteit die deel uitmaakt van de Europese Onderzoeksruimte. + Verder verkennen

Nieuw techno-economisch model optimaliseert afvalwarmteconversietechnologieën