Framtida elektroniska enheter för att omvandla ”bortkastad värme” till el

Framtida elektroniska enheter för att omvandla värme till el (Bild för representation)

Forskare arbetar med en ny teknik som gör det möjligt för framtida elektroniska enheter att omvandla värme till el. Tidigare har forskare från Ohio State University i USA banat väg för användningen av en kvantmekanisk effekt för att omvandla värme till el. Nu har de kommit fram till hur de får sin teknik att fungera i en form som är mer lämplig för industrin.

De använde magnetism på en komposit av nickel och platina för att förstärka spänningsutgången 10 gånger eller mer – inte i en tunn film, som de hade gjort tidigare, men i en tjockare bit material som mer liknar komponenter för framtida elektroniska enheter.

Många elektriska och mekaniska apparater, såsom bilmotorer, producerar värme som en biprodukt av deras normala drift. Det kallas ”spillvärme” och dess existens krävs av termodynamikens grundläggande lagar, säger forskare.

Läs också: Forskare upptäcker långa “fingrar” av värme under jorden

Emellertid syftar ett växande forskningsområde som kallas solid state thermoelectrics att fånga upp spillvärme i specialdesignade material för att generera kraft och öka den totala energieffektiviteten. “Över hälften av den energi vi använder går till spillo och går in i atmosfären som värme”, säger Stephen Boona, en postdoktoral forskare vid Ohio State.

”Solid state termoelektrics kan hjälpa oss att återvinna en del av den energin. Dessa enheter har inga rörliga delar, slits inte, är robusta och kräver inget underhåll. Tyvärr är de hittills också för dyra och inte tillräckligt effektiva för att motivera omfattande användning. Vi arbetar för att ändra det, säger Boona.

Läs mer: Indiska tillverkare möter värme när Apple tränger in i stadsindien: IDC

År 2012 demonstrerade forskargruppen, ledd av Joseph Heremans, att magnetfält kunde öka en kvantmekanisk effekt som kallas spin Seebeck-effekten och i sin tur öka spänningseffekten från tunna filmer tillverkade av exotiska nanostrukturerade material från några mikrovolt till några millivolt.

I det senaste framsteget har de ökat produktionen för en komposit av två mycket vanliga metaller, nickel med ett stänk av platina, från några nanovolt till tiotals eller hundratals nanovolt – en mindre spänning, men i en mycket enklare enhet som inte kräver någon nanofabrication och kan lätt skalas upp för industrin.

Heremans sa att, till viss del, att använda samma teknik i tjockare materialstycken krävde att laget omprövade ekvationerna som styr termodynamik och termoelektricitet, som utvecklades innan forskare visste om kvantmekanik.

Läs också: Snart bärbara enheter som kan laddas med kroppsvärme

Medan kvantmekanik ofta rör fotoner – vågor och ljuspartiklar – gäller Heremans forskning magnoner-vågor och magnetismpartiklar. ”I grund och botten täcker klassisk termodynamik ångmotorer som använder ånga som arbetsvätska, eller jetmotorer eller bilmotorer som använder luft som arbetsvätska.

”Termoelektronik använder elektroner som arbetsvätska. Och i det här arbetet använder vi kvantiteter av magnetisering, eller ‘magnoner’, som en arbetsvätska, ”sade Heremans.