Raluca Tofan (foran), Vidar Hansen (t.v.), Anette Gunnæs og Johan Taftø undersøker egenskapene til termoelektriske materialer i et elektronmikroskop med så god forstørrelse at det er mulig å se kolonner med enkeltatomer. (Foto: Yngve Vogt)
Nye materialer lager strøm av temperaturforskjeller
Halvparten av all energi forsvinner i spillvarme. Miljøvennlige nanomaterialer kan omdanne varmetapet til strøm.
Halvparten av all energi i verden forsvinner i spillvarme. Fem prosent av denne energien kan hentes tilbake igjen med termoelektriske materialer.
Materialene genererer strøm ved å utnytte temperaturforskjellen mellom den kalde og den varme siden.
Materialene må designes slik at de leder strøm, men ikke varme.
Materialene skal være billige, miljøvennlige og bestå av grunnstoffer som det finnes mye av på Jorda
Halvparten går tapt i spillvarme
Vel halvparten av all energien som brukes i verden i dag, går tapt i spillvarme, forteller professor Johan Taftø på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.
Sammen med en rekke forskere på Senter for materialvitenskap og nanoteknologi (SMN) ved UiO utvikler han nye, miljøvennlige materialer som kan gjenvinne den tapte spillvarmen til strøm.
– Vi utnytter temperaturforskjellen mellom den kalde og den varme siden i materialet. Her er det store muligheter til å hente ut energi som ellers vil gå tapt, forteller førsteamanuensis Anette Gunnæs på SMN.
Jo større temperaturforskjell i materialet, desto mer strøm vil det være mulig å fange opp.
– Mange mener det er mulig å hente ut strøm fra fire til fem prosent av spillvarmen, men vi sikter enda høyere, forteller stipendiat Henrik Riis på SMN.
For å vise hvordan termoelektriske materialer fungerer, demonstrerer Henrik Riis, sammen med postdoktor Matthias Schrade, hvordan en liten, motorisert lekebil henter energien sin fra telys og en isklump.
Mellom telyset og isklumpen har de to forskerne plassert et termoelektrisk materiale med samme form som et bankkort. Telyset varmer det opp nedenifra. Isklumpen kjøler det ned ovenifra. Da dannes det strøm til bilen.
– Vi prøvde en gang å erstatte isklumpen med flytende nitrogen. Da raste bilen av gårde i stor hastighet, ler Matthias Schrade.
Se youtube-video om bilen som drives av telys og isklump:
Omvendt av kjøleskap
Prinsippet for å hente ut strøm fra termoelektriske materialer, er motsatt av teknikken i et kjøleskap.
– Termoelektriske materialer kan brukes over-alt der det er temperaturforskjeller. Dette er allerede kjent teknologi i kjøleskap. Ved å sende inn strøm blir det kaldere på innsiden og varmere på utsiden. Vi snur dette systemet. Vi ønsker med andre ord å lage det omvendte av et kjøleskap og hente ut strømmen, forteller Anette Gunnæs.
– Ett eksempel er industrien. Elkem, Hydro og Yara er interessert i å gjenvinne spillvarmen, forteller professor Truls Norby på SMN.
Henrik Riis (t.v.) og Matthias Schrade demonstrerer hvordan en lekebil får energien sin fra telys og en isklump. (Foto: Yngve Vogt)
Felles for disse industrigigantene er de svært energikrevende produksjonene deres, med høye temperaturer og mye restvarme. Et eksempel er den kraftkrevende produksjonen av aluminium, der smelteovnene varmes opp til 800 grader. Bare kråkene får glede av denne spillvarmen i dag.
En annen mulighet er å bruke teknologien i biler og skip. I dag forsvinner mye av varmen ut av eksosrøret og skorsteinen.
Ideen med termoelektriske materialer er ikke ny. Det nye er å kunne lage dem mer miljøvennlige.
– Det finnes mange ulike materialtyper. Dagens beste termoelektriske materialer er giftige og dyre. Noen av dem lages av stoffer som det finnes svært lite av på Jorda. Vi ønsker å lage dem billige og miljøvennlige – og vi skal bruke vanlige grunnstoffer, poengterer Truls Norby.
Det er dessverre ikke mulig å lage et materiale som kan brukes til alle mulige formål.
– Ulike materialer fungerer best innen bestemte temperaturdifferanser. Noen materialer tåler ikke høye temperaturer. Vi har muligens funnet et materiale som egner seg til temperaturer opp til noen hundre grader, forteller Matthias Schrade.
For å lage materialene må fysikerne løse noe som kanskje høres ut som en selvmotsigelse.
– Vi må ha høy elektrisk ledningsevne, slik at materialet lett kan lede strøm. Samtidig må den termiske ledningsevnen være så liten som mulig, slik at temperaturforskjellen opprettholdes. Jo høyere temperaturforskjell, desto bedre blir energiutnyttelsen.
Det betyr at de må lage materialer som hindrer varmen i å spre seg, samtidig som den elektriske ledningsevnen skal være stor.
– Dette handler om et kompromiss. Her leter vi etter ‘den hellige gral’, forteller Henrik Riis.
Materialet må være en halvleder. Dette er materialer med helt spesielle, elektriske egenskaper. Til sammenligning leder metaller både strøm og varme, mens isolatorer verken leder strøm eller varme. En halvleder er noe midt imellom.
Et av de store spørsmålene er hvordan forskerne skal klare å lage et materiale som ikke leder varme, samtidig som det skal kunne transportere strøm.
Jo varmere atomene blir, desto mer vibrerer de. Vibrasjonene påvirker naboatomene. Da vil også naboatomene vibrere – og dermed bli varmere.
Løsningen er å legge inn atomer som vibrerer med andre frekvenser enn naboatomene. Da ledes ikke varmen like lett.
– Poenget er å lage uorden i nanoskala. Vi skal derfor legge inn små korn i materialene som demper vibreringen på naboatomene. Når det er uorden i atomene, kommer ikke vibrasjonene videre. Da hindres varmen i å spre seg, forteller Johan Taftø.
Annonse
Atombarrieren må dessuten lages slik at elektronstrømmen ikke blir hindret. På den varme siden beveger elektronene seg raskere enn på den kalde siden. Da vil elektronene bevege seg over til den kalde siden.
– Når temperaturen er høy, øker bevegelsen og hastigheten til elektronene. Når elektronene får høy hastighet, dyttes de av gårde. Du kan sammenligne dette med en urettferdig konkurranse der et landslag på den varme siden og et amatørlag på den kalde siden konkurrerer om å slenge flest elektroner til den andre siden. Landslaget er best på å kaste dem lengst. Derfor vinner de, forteller Johan Taftø.
Forskerne jobber med materialer inspirert av halv-heusler-materialer, oppkalt etter den tyske fysikeren Friedrich Heusler.
– Ut ifra hva som er blitt publisert tidligere, trodde vi at strukturene til materialene var enkle, men vi har nå oppdaget at de er langt mer komplekse i nanometerskala, påpeker Anette Gunnæs.
Halvheusler er krystalliske materialer som består av tre like store mengder ulike grunnstoffer.
– Disse materialene er ikke bra nok som de er. For å få gode termoelektriske egenskaper, må vi bytte ut noen av elementene. En måte å gjøre dette på, er å kombinere titan, tinn og nikkel. Andre muligheter er å erstatte titan med zirkonium eller hafnium. Eller erstatte tinn med antimon eller kobolt med nikkel. Det er riktignok mulig å finne enda mer effektive materialer, men vi ønsker å bruke materialer som det finnes mye av i naturen, som er billige og som dessuten ikke er giftige, forteller Johan Taftø.
For å kunne studere mikrostrukturene og se hvordan atomene er organisert, må forskerne ty til noe som kalles for et transmisjonselektronmikroskop (TEM). Her er det mulig å få en forstørrelse på flere millioner ganger. Da kan forskerne se kolonner med enkeltatomer.
TME har visse likheter med vanlige mikroskop. Den store forskjellen er at TME bruker elektronstråler i stedet for vanlig lys.
– Ettersom elektroner har kortere bølgelengder enn vanlig lys, kan vi se detaljene langt bedre, forteller Anette Gunnæs.
Annonse
Ved å måle hvordan elektronene har passert materialet, hvordan energien har mistet energien sin på veien og hvordan energien omdannes til røntgenstråler, får forskerne vite mer om de enkelte atomene og hvilke grunnstoffer de består av.
For tre år siden fikk Senter for materialvitenskap og nanoteknologi to nye elektronmikroskop. Det ene er tidenes mest moderne elektronmikroskop.
– Her kan vi få detaljert informasjon om elektronstrukturen til stoffer, sier Anette Gunnæs.
Mikroskopet, som kostet 20 millioner kroner og er spesiallaget i Nederland, står fjellstøtt på betong i et spesiallaget rom til ni millioner kroner.
– Den minste rystelse påvirker mikroskop- undersøkelsen. For å hindre magnetiske forstyrrelser fra T-banen og andre steder, har vi lagt inn magnetisk kompensasjon i rommet. Temperaturen må også være jevn. Veggene er derfor tempererte med vannpaneler, forteller førsteamanuensis Øystein Prytz på SMN.
Det andre elektronmikroskopet kostet åtte millioner kroner. Det er spesielt egnet til å studere krystallstrukturer.
De to elektronmikroskopene har hver sine styrker og svakheter. For å studere termiske materialer må forskerne bruke begge to.
Når forskerne har funnet et perfekt materiale som skaper spenning fra det varme til det kalde området, er de likevel bare halvveis. Det er bare mulig å skape en spenning på 0,2 millivolt per grad temperaturforskjell. Med en temperaturforskjell på hundre grader kan spenningen bli 20 millivolt. Til sammenligning er det 220 volt i stikk-kontakten din.
For å øke spenningen skal forskerne plassere en mengde termoelektriske, små brikker tett i tett, som en rad med dominobrikker, mellom den varme og den kalde delen.
De skal så sørge for at strømmen går gjennom alle de termoelektriske brikkene, annenhver gang fra varm til kald del og annenhver gang fra kald til varm del.
For hver gang strømmen passerer en brikke, kan spenningen økes med 20 millivolt.
Desto flere sløyfer strømmen går igjennom, desto høyere blir spenningen.
Og det er nå Apollon kommer til nok et poeng. Materialet som genererer den økte spenningen fra den varme til den kalde delen, er annerledes enn det som genererer den økte spenningen fra den kalde til den varme delen.
Forskerne må derfor lete etter to ulike materialer. Ett som går fra varmt til kaldt område og et annet som går fra kaldt til varmt.
– Disse to materialene må lages slik at de utvider seg likt ved samme temperaturforskjell. Det betyr at varmeekspansjonen må være den samme. Ellers sprekker hele systemet, forteller Henrik Riis.
Professor Vidar Hansen fra Universitetet i Stavanger samarbeider med forskerne på SMN for å bruke termoelektriske materialer til å lage varmepumper uten vifter og andre bevegelige deler. Her skal det sendes inn strøm for å øke temperaturforskjellene.
– Vi jobber nå med å få størst mulig effektivitet i disse varmepumpene, forteller Vidar Hansen.
