– Sinkantimonid er det desidert det billigste termoelektriske materialet i dag, forteller Kjetil Valset, postdoktor ved UiO. (Foto: Hilde Lynnebakken, UiO)
Nanopiller lager strøm av varme
Ufattelig finmalt støv kan bli viktig energimateriale.
Handler om å utvikle teknikker for å styre naturens minste byggeklosser.
Ved å sette sammen atomer på andre måter enn naturen selv gjør, kan forskere lage materialer som har helt nye egenskaper.
Størrelsene regnes i nanometer, som er en milliarddel av en meter.
Teknologien brukes eller kan tenkes benyttet, i materialer som maling og smøremidler, elektronikk, optikk, mat, kosmetikk og medisin.
Flere produkter som inneholder nanopartikler er allerede i salg, for eksempel solkrem med sinkoksid, golfkøller med nanokarbon, produkter til selvrensende overflater (vinduer, båtskrog).
På miljøområdet kan teknologien brukes for eksempel ved lagring og produksjon av energi, vannrensing og annen renseteknologi.
Nanopartikler er en type nanomateriale som har partikkelform og en størrelse opp til 100 nanometer. De kan være runde, kubiske, irregulære, avlange eller fiberaktige.
Mange nanopartikler har en sterk tendens til å aggregere, det vil si at de opptrer mer eller mindre klistret sammen med andre enkeltpartikler og utgjør samlet et såkalt aggregat med mikrometer-dimensjoner.
Man skiller mellom tre kategorier nanopartikler i forhold til opphav:
Naturlige nanopartikler (kolloider i jord/vann, salter fra havsprøyt m.m.)
Antropogene nanopartikler (røyk og sot fra forbrenning)
Produserte nanopartikler (laget av mennesker pga sine spesielle størrelses- eller overflateegenskaper)
Videre finnes det nanopartikler som er organiske (for eksempel karbon nanorør, fullerener og organiske polymerer), uorganiske (som metaller, metalloksider og keramiske) og hybrid-partikler (for eksempel endofullerener og kvanteprikker/Q-dots).
Kilde: Bioforsk
Jo visst teller størrelsen! Nanoteknologien utnytter at ting kan få andre egenskaper når de bare blir små nok.
Nettopp dette har en gruppe forskere ved Universitetet i Oslo og Sintef gjort med det termoelektriske materialet sinkantimonid (ZnSb). Et termoelektrisk materiale kan lage elektrisitet direkte av temperaturforskjeller: Når den ene delen av en termoelektrisk halvleder varmes opp vil elektronene flytte seg unna varmen og det dannes en elektrisk strøm.
Det viser seg at hvis materialet består av ekstremt små korn, blir det mye mer effektivt som termoelektrisk materiale. Men materialet må være ufattelig finmalt med kornstørrelser under 10 nanometer. Én nanometer er en milliondels millimeter.
Hvert støvgrann består da av mindre enn 1000 atomer.
– Det er hovedsakelig to nanoeffekter vi utnytter, sier professor Ole Martin Løvvik ved Universitetet i Oslo.
– Den ene er at grenseflatene mellom partiklene demper varmebølger, men slipper lett gjennom elektroner.
Mindre kornstørrelse betyr mer varmedemping, og vi får et materiale som leder varme som glass og som leder strøm som metall.
– Nanoeffekt nummer to er at elektronstrukturen endres når elektronene sperres inne i et lite korn, sier Løvvik.
Effekten til de termoelektriske elementene kan mangedobles dersom kornstørrelsen kommer under 10 nanometer.
Kaldkvernes og varmepresses
Xin Song og Ole Martin Løvvik studerer nanomaterialet i elektronmikroskop. (Foto: Hilde Lynnebakken, UiO)
Sinkantimonid males til pulver i en mølle mens det kjøles ned med flytende nitrogen. Pulveret presses deretter sammen til tabletter med en spesiallaget varmepresse.
De ferdige tablettene kan utnytte temperaturforskjeller til å lage strøm.
– Vi har fått ganske gode resultater, forteller Løvvik.
– Nesten like gode som det mer kjente materialet skuteruditter, og vi håper å få dette like bra. Sinkantimonid er dessuten et billigere materiale.
– Når kan vi ta i bruk termoelektriske materialer?
– Kanskje har du allerede gjort det, sier Løvvik.
– Jeg har i hvert fall en termoelektrisk kjøleboks til bilen og det finnes klokker med termoelektrisk element istedenfor batterier. Dagens materialer er dyre og lite effektive, derfor er de bare i bruk i spesielle nisjer som romfart og sensorer som opererer alene.
Bil først, deretter er verden åpen
Annonse
Forskerne forventer at bensin- og dieselbiler blir det første massemarkedet for termoelektriske materialer. Bilindustrien får kniven på strupen av europeiske myndigheter: de må få ned CO2-utslippene.
Forbrenningsmotoren kan vanskelig bli mer effektiv enn den er nå, derfor ser fabrikantene på utnyttelse av spillvarme fra eksosen.
Termoelektriske elementer har ingen bevegelige deler og kan bli den foretrukne teknologien. Kanskje kan bilene kutte ut dynamo?
– I så fall får vi et sprang i effektiviteten på noen prosent, sier Løvvik.
– Vil ikke dette bare forlenge fossilbilenes levetid?
– Termoelektrisitet kan bli en ingrediens i fossilbilenes siste fase, mener Løvvik.
Men viktigere: Har en først kommet inn i markedet står anvendelsene i kø, i prosessindustri og skipsfart, for eksempel. Og litt lenger fram i tid kan man kanskje erstatte turbiner eller utnytte varmen i sollyset til å lage elektrisitet.
– Når vi vet at så mye som 60 prosent av verdens energi går tapt som spillvarme er det klart det er et stort potensiale for teknologi som kan utnytte varmen, sier Løvvik.
