211service.com
Kører varmt og koldt
Institutprofessor Mildred S. Dresselhaus ønsker at sætte et nyt twist på en idé fra det 19. århundrede. Forskere har i næsten 200 år kendt til den termoelektriske effekt: visse materialer genererer en elektrisk spænding, når deres temperatur er forskellig på hver side. Og når en spænding påføres dem, opvarmes de på den ene side og bliver koldere på den anden. At lave materialer med disse egenskaber har dog altid været en udfordring: De fleste materialer, der leder elektricitet, leder også varme, så deres temperatur udlignes hurtigt. Dette gør dem ineffektive til at generere elektricitet og upraktiske til de fleste opvarmnings- eller afkølingsapplikationer.
Men Dresselhaus, som forsker i fysikken i faste stoffer i nanoskala, siger, at termoelektriske enheder vil blive levedygtige, når nye nanostrukturerede materialer, som hun og andre designer i laboratoriet, kommercialiseres. Sammen med Gang Chen ved MIT, Zhifeng Ren ved Boston College og Jean-Pierre Fleurial ved NASAs Jet Propulsion Laboratory, manipulerer Dresselhaus materialers energitransportegenskaber på nanoskala for at udvikle gode elektriske ledere, der er dårlige varmeledere. Ved at arbejde med kompositter lavet af komplementære halvledende materialer såsom bismuthtellurid og siliciumgermanium håber forskerne at skabe termoelektriske materialer dobbelt så effektive som deres konventionelle modstykker.
Eksisterende termoelektriske materialer har allerede nogle applikationer, såsom individuelt temperaturkontrollerede autostole, der effektivt kan varmes op, når de er kolde, eller afkøles, når de sveder. Systemet, der er lavet af en Michigan-baseret virksomhed, forbedrer brændstoføkonomien såvel som komforten: Hvis du sidder på et køligt sæde, har du brug for mindre aircondition, påpeger Dresselhaus. Men endnu bedre ville være applikationer, der fanger spildvarme - for eksempel fra en bils udstødningsrør - og omdanner det til elektricitet. Vi er alle bekymrede for bæredygtig energi, siger hun. Hvis vi kunne genbruge spildvarme til at generere energi, kunne vi bruge den til noget nyttigt.
Den aktuelle udfordring er at inkorporere nanopartikler i strukturer, der er store nok til at tilsluttes et system i menneskelig skala. Til dette formål presser Dresselhaus silicium og germanium nanopartikler i en form, hvorefter de hurtigt opvarmes og afkøles i et vakuum for at komprimere dem til stænger i millimeterskala. Ved at presse små partikler sammen, der adskiller sig i sammensætning og størrelse, øger hun overfladearealet inde i materialet, hvilket skaber en forhindringsbane af interne nanoskala-understrukturer, der bremser varmeoverførslen, mens den lader elektrisk energi glide igennem.
De nye materialer kan hjælpe forskere med at bygge kølesystemer ind i mikrochips, erstatte Freon-baserede HVAC-systemer i køretøjer, gøre bilmotorer mere effektive og forbedre solcellernes effektivitet ved at udnytte solvarme såvel som lys. Hvis vi havde forbedrede materialer, der kunne produceres billigt og i store mængder, kunne den termoelektriske industri helt sikkert komme hurtigere fremad, siger Dresselhaus. Det ender ikke med autostole.