211service.com
Forvandling af spildvarme til kraft
Silicium, i form af solcelleceller, er god til at generere elektricitet fra sollys. Ny forskning viser, at det også kunne lave en god termoelektrisk: Et materiale, der omdanner varme til elektricitet og omvendt. Da silicium er mere rigeligt end de førende termoelektriske materialer og har en enorm produktionsinfrastruktur bag sig, kan det i sidste ende give billige enheder til at generere strøm fra motorers spildvarme eller fra solvarme.
Fed kunde: Dette billede, produceret af et scanningselektronmikroskop, viser en ru silicium nanotråd, der danner bro mellem to varmepuder - den ene tjener som varmekilde og den anden som sensor. Forskere har fundet ud af, at 50 nanometer brede siliciumnanotråde har drastisk lavere varmeledningsevne end bulksilicium, men bevarer deres elektriske ledningsevne. Således viser nanotrådene potentiale som termoelektriske materialer - dem, der omdanner varme til elektricitet og omvendt.
I denne uge Natur , University of California, Berkeley, kemiprofessor Peidong Yang og hans kolleger rapporterer at have fremstillet silicium nanotråde, der genererer elektricitet, når en temperaturforskel påføres på tværs af dem. Indtil nu er silicium blevet betragtet som et dårligt termoelektrisk materiale. Men ifølge Yang er ydeevnen af nanotrådene allerede sammenlignelig med det bedste eksisterende termoelektriske materiale.
Termoelektriske enheder har eksisteret siden begyndelsen af 1960'erne, normalt lavet af enten vismuttellurid eller blytellurid. De bruges hovedsageligt til afkøling: Når en spænding påføres over et termoelektrisk materiale, bliver det varmere på den ene side og køligere på den anden side. Termoelektriske kølere bruges populært i bærbare picnickølere og kølende autostole.
Men mere spændende anvendelser ligger i energieffektivitet og energiproduktion. Termoelektrik kunne bruges til at omdanne spildvarme genereret af bilmotorer til elektricitet. Endnu mere attraktiv er ideen om at termoelektrisk udnyttelse af solens varme til at skabe elektricitet. Men vismuttellurid og blytellurid er ikke effektive nok, så enheder fremstillet af dem er både dyre og omfangsrige, fordi de kræver mere materiale.
Termoelektrik skulle være mindst dobbelt så effektiv, som den nu skal bruges til billig elproduktion, siger Mildred Dresselhaus , en termoelektrisk pioner og professor i fysik og elektroteknik ved MIT. At bruge nanoskalastrukturer i stedet for bulkkrystaller af materialerne kan øge deres effektivitet, siger hun. Nanostrukturer blokerer varmestrømmen, men tillader elektroner at flyde let. Men forarbejdning og nanostrukturering af bismuthtellurid er ikke let.
Silicium er på den anden side meget nemmere at behandle, har en stor forarbejdningsinfrastruktur bag sig, siger Yang. Silicium har også en meget lavere pris end bismuthtellurid. Problemet med silicium er, at det er en dårlig termoelektrisk. En god termoelektrisk skal være to ting: en god elektrisk leder og en dårlig varmeleder. Silicium leder både varme og elektricitet rigtig godt.
Yang og hans kolleger reducerede siliciums termiske ledningsevne ved at bruge silicium nanotråde. De fremstillede en række silicium nanotråde, der er mellem 20 og 300 nanometer i diameter. Nanotrådsyntese involverer ofte at gøre en nanopartikel flydende og få den til at vokse, ligesom et hår. Men det producerer nanotråde med glatte overflader. Den kemiske ætsningsmetode, som Yangs team bruger, resulterer i stedet i nanotråde, der har ru overflader. Forskerne fandt ud af, at ledninger, der er omkring 50 nanometer brede, bevarer elektrisk ledningsevne, men har kun en hundrededel af den termiske ledningsevne. Dette resulterer i en termoelektrisk effektivitet tæt på den for nogle kommercielle bismuthtelluridmaterialer.
Ingen nuværende teori forklarer, hvorfor nanotrådenes varmeledningsevne falder så drastisk. En af grundene, mener Yang, er, at de næsten endimensionelle nanotråde og ledningernes ru kanter blokerer for strømmen af fononer, som er partikler, der bærer varme. Men det samlede billede er stadig uklart.
Ali Shakouri , en elektrisk ingeniørprofessor ved University of California, Santa Cruz, siger, at forskere bliver nødt til at forstå, hvordan fysikken fungerer, før de kan forbedre teknologien nok til at producere kommercielle enheder. Desuden har brugen af nanotråde til energikonvertering og elproduktion sine egne begrænsninger, siger Shakouri. Sådanne applikationer kræver store arrays af nanotråde, men i Natur papir, målte Yang og hans kolleger de individuelle nanotrådes elektriske egenskaber. Forskerne bliver nødt til at sikre sig, at disse egenskaber oversættes til hele nanotrådsarrays, siger Shakouri: Variationer og interaktioner mellem nanotråde kan fjerne nogle fordele.
Alligevel, siger han, er dette vigtigt arbejde, som kan få stor indflydelse. Shakouri peger ikke kun på demonstrationen af siliciums potentiale som termoelektrisk, men også på den unikke teknik, som forskerne brugte til at lave ru nanotråde. Den nye måde at lege med materialeegenskaber på er meget interessant, siger han. Det kunne åbne op for en måde at forbedre termoelektrik på, som kunne anvendes på andre materialer.
Yang og hans kolleger tænker i mellemtiden allerede på, hvordan de kan forbedre deres nanotrådes ydeevne. De planlægger at reducere størrelsen af nanotrådene og gøre deres overflader mere ru, end de allerede er. Det burde forbedre deres termoelektriske egenskaber, siger Yang. Forskerne planlægger også at lave og teste en egentlig termoelektrisk enhed ved hjælp af silicium nanotråde.