Tot nu toe moest een van de zeldzaamste elementen op aarde worden gebruikt om generatoren te maken die uit warmte elektriciteit produceren: tellurium, of telluur. Professor Dr. Gabi Schierning van de Faculteit Natuurkunde van de Universität Bielefeld heeft met collega’s van het Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung IFW Dresden, de University of Houston (USA) en het Harbin Institute of Technology (China) daarvoor een alternatief gevonden met gemakkelijker verkrijgbare elementen zoals magnesium en antimoon.
“Het vinden van alternatieven voor telluur is van groot belang voor de toepasbaarheid van thermo-elektronica,” zegt professor dr. Gabi Schierning. Zij doet onderzoek naar thermo-elektrische materialen en bouwstenen in de groep “Dunne Films en Fysica van Nanostructuren”.
Thermo-elektrische generatoren zetten warmte om in elektrische energie. Daarbij hebben de ladingsdragers bij hoge temperaturen een grotere thermische snelheid dan bij lage temperaturen. Wanneer er een temperatuurverschil is in thermo-elektrische materialen, bewegen de ladingsdragers zich van warmere naar koudere gebieden. Hierdoor wekken ze een bruikbare elektrische spanning op.
De technologie zou kunnen worden gebruikt om afvalwarmte gedeeltelijk weer bruikbaar te maken, aldus Schoerning. “Bij de verbranding van fossiele brandstoffen gaat veel van de geproduceerde energie verloren als afvalwarmte,” legt de natuurkundige uit. “Door met de afvalwarmte weer elektriciteit op te wekken, kan bijvoorbeeld de uitstoot van broeikasgassen worden verminderd.”
Minder dure elementen
Afvalwarmte is over het algemeen heet; tot ongeveer 250 graden Celsius. Modules van op telluur gebaseerde materialen zetten warmte efficiënt om in elektriciteit. “Het doel is materialen te vinden die even efficiënt zijn, maar die meer voorkomen in de aardkorst en daardoor minder duur zijn. Daardoor wordt de kans groter dat de technologie op de markt komt”, aldus Schierning.
Zij en haar collega’s gebruikten voor hun studie chemische verbindingen op basis van de elementen magnesium en antimoon. “Dat dergelijke verbindingen geschikte materialen zijn voor thermo-elektronica is al enige tijd bekend. Tot nu toe kon echter niet worden aangetoond dat zij ook konden worden gebruikt om functionerende thermo-elektrische apparaten te maken. Daar zijn we nu in geslaagd.”
In hun studies hebben de onderzoekers eerst de thermo-elektrische materialen gesynthetiseerd. Daartoe moesten zij alle bestanddelen tot een fijn poeder vermalen en onder hitte samenpersen. Vervolgens gebruikten zij deze materialen om de module te maken. Daartoe optimaliseerden Dr. Pingjun Ying en Dr. Ran He van het Leibniz-Instituut voor vastestof- en materiaalonderzoek IFW Dresden zowel de synthese van de materialen als de structuur.
“We zochten naar een manier zodat het apparaat zo efficiënt mogelijk elektrische energie kan opwekken, wat bijvoorbeeld afhangt van de gelaagdheid van het materiaal of de geometrische structuur van de module,” leggen zij uit. Het resultaat van het onderzoek was dat de op magnesium gebaseerde apparaten even efficiënt waren als de op telluur gebaseerde systemen. De onderzoekers hebben de resultaten van hun werk gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
Lees hier meer artikelen over het onderwerp van het omzetten van restwarmte in energie.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
