Nanopiller gjør strøm av varme

Ufattelig finmalt støv kan bli viktig energimateriale.

Sinkantimonid: —Desidert det billigste termoelektriske materialet i dag, forteller Kjetil Valset. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO

Jovisst teller størrelsen! I nanoteknologien utnytter vi at ting kan få andre egenskaper når de bare blir små nok. Nettopp dette har en gruppe forskere ved UiO og Sintef gjort med et termoelektrisk materiale, et materiale som kan lage strøm av temperaturforskjeller.

Det viser seg nemlig 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. Hvert støvgrann består da av mindre enn 1000 atomer.

Karbondronningas idé

Mildred Dresselhaus og modell av karbon nanorørQueen of Carbon: Mildred Dresselhaus. Foto: Kavliprize.org

—Det var faktisk Kavliprisvinner Mildred Dresselhaus -"dronningen av karbon", som på 1990-tallet viste at vi må ned i så små størrelser for å oppnå nanoeffekter, forteller Ole Martin Løvvik, og fortsetter: —Dresselhaus demonstrerte også at disse effektene er virkelige, ved å sette sammen tynne filmer i et komplisert system. Nå har vi fått til det samme med en mye enklere metode som er lett å skalere opp.

Det er hovedsakelig to nanoeffekter vi snakker om: 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 strøm som metall.

Nanoeffekt nummer to er Dresselhaus' innsikt: Elektronstrukturen endres når elektronene sperres inne i et lite korn. Effekten til de termoelektriske elementene kan mangedobles dersom kornstørrelsen kommer under 10 nanometer.

Kaldkvernes og varmepresses

Materialet det er snakk om er sinkantimonid, ZnSb, som 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

Xin Song og Ole Martin Løvvik med mikroskopXin Song og Ole Martin Løvvik studerer nanomaterialet i elektronmikroskop. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO

Vi 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.

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 vi kanskje erstatte turbiner eller utnytte varmen i sollyset til å lage elektrisitet.

Når vi vet at så mye som 60 % av verdens energi går tapt som spillvarme er det klart det er et stort potensiale for teknologi som kan utnytte varmen.

 

En versjon av denne artikkelen er også publisert på forskning.no

Av Hilde Lynnebakken
Publisert 29. okt. 2014 08:23