17 feb. 1999
4 minuten
Ruim tweederde van de energie die wereldwijd wordt gebruikt, wordt uiteindelijk afgevoerd als ‘afvalwarmte’. Binnen dat reservoir van afgedankte energie ligt een geweldige en grotendeels onbenutte kans, beweren wetenschappers van MIT’s Department of Nuclear Science and Engineering (NSE).
Zoals gemeld in Nature Communications heeft het MIT-team, onder leiding van Mingda Li, een doorbraak bereikt in thermo-elektrische opwekking, die een directe manier biedt om thermische energie om te zetten in elektriciteit. Inclusief de afvalwarmte.
Een temperatuurgradiënt, of verschil, in een materiaal zoals een metaal of halfgeleider, kan door een fenomeen dat bekend staat als het Seebeck-effect, aanleiding geven tot een elektrische spanning die een stroom aandrijft. "Voor veel materialen is het thermo-elektrische effect te laag om bruikbaar te zijn", zegt onderzoeker Fei Han. "Ons doel is om materialen te vinden met een conversie-efficiëntie die hoog genoeg is om thermo-elektrische opwekking praktisch toepasbaar te maken."
De efficiëntie van thermo-elektrische energieomzetting is evenredig met de temperatuur van een materiaal, de elektrische geleidbaarheid en iets dat de ‘thermokracht’ in het kwadraat wordt genoemd; het is omgekeerd evenredig met de thermische geleidbaarheid. Omdat de efficiëntie toeneemt met de temperatuur, werken de meeste thermo-elektrische materialen die tegenwoordig worden gebruikt in het bereik van honderden graden Celsius. "Maar in ons leven zijn de meeste dingen om ons heen op kamertemperatuur", zegt Han. "Daarom proberen we nieuwe materialen te ontdekken die effectief werken bij of onder kamertemperatuur."
Li: "Als het gaat om conversie-efficiëntie, is de meeste aandacht tot nu toe besteed aan het verhogen van de elektrische geleiding en de afname van de thermische geleidbaarheid, in plaats van de focus op thermokracht, ook al stijgt de efficiëntie met het kwadraat van thermokracht." Thermokracht, ook wel bekend als de Seebeck-coëfficiënt, wordt gedefinieerd als de spanning gedeeld door het temperatuurverschil over een materiaal. "Wanneer de thermokracht omhoog gaat, neemt de elektrische geleiding af, wat een lastige evenwichtsoefening kan zijn", zegt Li. Maar zijn groep heeft aangetoond dat een nieuw mechanisme zowel de elektrische geleiding als de thermokracht kan optimaliseren en zo bijdraagt aan het doel van verbeterde efficiëntie.
Li’s experimentele onderzoek werd geleid door theoretische artikelen van Liang Fu die beweden dat een sterk magnetisch veld het thermo-elektrische effect in een zogenaamd topologisch Weyl-halfmetaal zou versterken. Dit type materiaal deelt kenmerken van metalen en halfgeleiders, maar heeft ook speciale kenmerken. Topologische Weyl-halfmetalen hebben singuliere punten – als kruinen op het hoofd – die ongebruikelijke elektronische eigenschappen verlenen; andere eigenschappen vloeien voort uit symmetrieën van de kristallijne structuur zelf. De door Fu en zijn collega’s voorspelde winst in thermokracht zou voortkomen uit het nieuwe ‘thermo-elektrische kwantum Hall-effect’.
"Wanneer het magnetische veld hoog genoeg is om dit effect op te wekken", zegt promovenda Nina Andrejevic, "wordt een universele waarde van thermo-elektrische Hall-geleidbaarheid benaderd, en zelfs als het magnetische veld wordt gevarieerd, zal de waarde van de Hall-geleidbaarheid daarna niet veranderen. Deze geïnduceerde thermo-elektrische Hall-geleidbaarheid zou de dominante bijdrage leveren aan thermokracht, evenals de dominante bijdrage aan de totale arbeidsfactor.
Li en zijn team maakten monsters van een topologisch Weyl-halfmetaal, tantaalfosfide (TaP), die waren voorzien van uitgekiende eigenschappen, om de hypothese van Fu te testen. Het synthetiseren van deze TaP-kristallen was een moeilijke taak, omdat het zo’n nieuw materiaal is [pas bekend sinds 2015] dat de recepten nog niet volledig zijn geoptimaliseerd. "Je kunt sleutelen aan de relatieve hoeveelheden tantaal en fosfide en de oventemperatuur aanpassen, evenals de tijd dat je de ingrediënten ‘bakt’, om te voldoen aan het vereiste niveau van ladingsdragerdichtheid. De kristalgrootte moet ook groot genoeg zijn om nauwkeurige metingen mogelijk te maken." Aan het einde van dat proces namen ze het resulterende TaP-kristal – bijgesneden tot een dunne strook – verwarmden het ene uiteinde ervan en maten, onder invloed van een 9-tesla magnetisch veld, de elektrische en thermische geleidbaarheid en de geïnduceerde spanning.
De studie leverde een aantal significante, hoewel gerelateerde, resultaten op: de MIT-onderzoekers waren de eersten die aantoonden dat het thermo-elektrische kwantum Hall-effect inderdaad kan worden opgewekt in een Weyl-halfmetaal. Door dat effect kregen ze bovendien een zeer hoge waarde voor de thermokracht. Bovendien behaalde hun TaP-kristal een recordhoge ‘powerfactor’ – het product van elektrische geleidbaarheid en thermokracht in het kwadraat – wat een cruciaal onderdeel is van thermo-elektrische conversie-efficiëntie.
De ‘power factor’ die werd bereikt, was 10 keer groter dan was waargenomen in enig ander thermo-elektrisch materiaal, maar die waarde werd bereikt bij 40° Kelvin (- 233° Celsius) – een relatief koude temperatuur die de groep ervan weerhield records te breken op het gebied van algehele efficiëntie. De uitdaging is nu om een Weyl-halfmetaal te vinden dat zijn piekvermogensfactor en piekefficiëntie dichter bij kamertemperatuur kan realiseren, zegt Li. "Hoewel dergelijk materiaal nog niet is ontdekt, identificeert ons laatste werk verschillende belangrijke eigenschappen waarnaar we zouden moeten zoeken." Een ander doel is om een halfmetaal te ontwikkelen dat zijn eigen magnetisch veld kan genereren, dankzij de introductie van magnetische elementen in zijn kristallijne structuur, waardoor de behoefte aan een extern veld wordt geëlimineerd.
Anderen lazen ook
