211service.com
Warm en koud rennen
Instituutshoogleraar Mildred S. Dresselhaus wil een 19e-eeuws idee een nieuwe draai geven. Wetenschappers weten al bijna 200 jaar over het thermo-elektrische effect: bepaalde materialen wekken een elektrische spanning op wanneer hun temperatuur aan elke kant verschillend is. En als er spanning op staat, worden ze aan de ene kant warmer en aan de andere kant kouder. Het maken van materialen met deze eigenschappen is echter altijd een uitdaging geweest: de meeste materialen die elektriciteit geleiden, geleiden ook warmte, waardoor hun temperatuur snel gelijk wordt. Dit maakt ze inefficiënt bij het opwekken van elektriciteit en onpraktisch voor de meeste verwarmings- of koelingstoepassingen.
Maar Dresselhaus, die onderzoek doet naar de fysica van vaste stoffen op nanoschaal, zegt dat thermo-elektrische apparaten levensvatbaar zullen worden wanneer nieuwe nanogestructureerde materialen die zij en anderen in het laboratorium ontwerpen, op de markt worden gebracht. Met Gang Chen aan het MIT, Zhifeng Ren aan het Boston College en Jean-Pierre Fleurial aan het Jet Propulsion Laboratory van NASA, manipuleert Dresselhaus de energietransporteigenschappen van materialen op nanoschaal om goede elektrische geleiders te ontwikkelen die slechte warmtegeleiders zijn. Door te werken met composieten gemaakt van complementaire halfgeleidende materialen zoals bismuttelluride en siliciumgermanium, hopen de onderzoekers thermo-elektrische materialen te creëren die twee keer zo efficiënt zijn als hun conventionele tegenhangers.
Bestaande thermo-elektrische materialen hebben al een aantal toepassingen, zoals individueel temperatuurgeregelde autostoelen die efficiënt kunnen worden opgewarmd als ze koud zijn of gekoeld als ze zweterig zijn. Het systeem, gemaakt door een in Michigan gevestigd bedrijf, verbetert zowel het brandstofverbruik als het comfort: als je op een koele stoel zit, heb je minder airconditioning nodig, benadrukt Dresselhaus. Maar nog beter zouden toepassingen zijn die afvalwarmte opvangen, bijvoorbeeld uit de uitlaat van een auto, en deze omzetten in elektriciteit. We maken ons allemaal zorgen over duurzame energie, zegt ze. Als we restwarmte zouden kunnen hergebruiken om energie op te wekken, dan zouden we die voor iets nuttigs kunnen gebruiken.
De huidige uitdaging is om nanodeeltjes op te nemen in structuren die groot genoeg zijn om in een systeem op menselijke schaal aan te sluiten. Daartoe perst Dresselhaus silicium- en germaniumnanodeeltjes in een mal, verwarmt en koelt ze vervolgens snel in een vacuüm om ze samen te persen tot staven op millimeterschaal. Door kleine deeltjes samen te knijpen die qua samenstelling en grootte verschillen, vergroot ze het oppervlak in het materiaal, waardoor een hindernisbaan ontstaat van interne substructuren op nanoschaal die de warmteoverdracht vertragen terwijl elektrische energie erdoorheen raast.
De nieuwe materialen kunnen onderzoekers helpen bij het inbouwen van koelsystemen in microchips, het vervangen van op Freon gebaseerde HVAC-systemen in voertuigen, het efficiënter maken van automotoren en het verbeteren van de fotovoltaïsche efficiëntie door zowel zonnewarmte als licht te benutten. Als we verbeterde materialen hadden die goedkoop en in grote hoeveelheden konden worden geproduceerd, zou de thermo-elektrische industrie zeker sneller vooruit kunnen, zegt Dresselhaus. Het blijft niet bij autostoelen.