Lämpösähköä spinien tasolta

Kaavio, joka kuvaa kaksiarvoisten Zn- ja Ni-kationien korvaavia vaikutuksia Co3O4:n spin lämpösähköisiin ominaisuuksiin.

Tällä hetkellä lämpösähköiset generaattorit ovat harvinaisuuksia, joita käytetään pääasiassa erikoissovelluksissa.

Texsasin yliopiston konetekniikan lehtori Anveeksh Koneru tutkii uutta menetelmää hukkalämmön talteen ottamiseksi hyödyntämällä elektronien kvanttimekaanisia liikkeitä spinpolarisoiduissa materiaaleissa.

Hiukkasten fysiikassa spin on perusmuoto kulmamomenttia joita kantavat peruspartikkelit, komposiittihiukkaset (hadronit) ja atomiytimet. Spin Hall - mekanismin avulla on osoitettu, että jännite voidaan tuottaa käyttämällä ferromagneettiseen materiaaliin kiinnitetyn metallikontaktin spinpopulaatioiden eroja.

Japanilaiset tutkijat esittelivät kokeellisesti tämän jo vuonna 2008 mutta tähän mennessä ei ole löytynyt sen optimaalista mallia.

Koneru uskoo, että kobolttioksidissa hän on ehkä löytänyt oikean materiaalin sähköisen energiantuoton hyödyntämiseen. Kobolttioksideilla on ainutlaatuinen kyky hyväksyä korvaavia siirtymämetallien kationeja, mikä mahdollistaa niiden sekoittamisen nikkelin, kuparin, mangaanin tai sinkin kanssa.

Näillä metalleilla on magneettisia ominaisuuksia, jotka voivat lisätä ylös- ja alaspäin spinnaavien elektronien erottumista ja parantaa lämmön muuntamista sähköksi.

"Materiaalin tulisi olla hyvä sähköjohde mutta huono lämmönjohde. Mutta sen kokeilemiseksi tutkijoiden pitäisi valmistaa tuhansia eri materiaalikombinaatioita. Sen sijaan yritämme teoreettisesti laskea, mikä on materiaalin optimaalinen kokoonpano korvikkeilla," kertoo Koneru.

Vuodesta 2018 alkaen Koneru on käyttänyt supertietokoneita Texas Advanced Computing Centerissä (TACC) testatakseen virtuaalisesti erilaisia kobolttioksideja erilaisilla nikkelin ja sinkin korvaajilla. "Jokainen kalibrointi ottaa 30 - 40 tuntia laskenta-aikaa, ja meidän on tutkittava vähintään 1000 - 1500 eri kokoonpanoa", hän selitti. "Se vaatii valtavan laskennan ja sitä TACC tarjoaa."

Erityisen ohjelmiston avulla he pystyivät laskemaan fyysiset ominaisuudet kullekin kokoonpanolle. Niitä käytettiin sitten tavanomaisten varausten ja spinien kuljetuslaskelmien tekoon, mikä kertoi tutkijoille, kuinka hyvin kobolttioksidin kokoonpano voi muuttaa lämmön sähköksi.

Vaikka tulokset ovat vielä alkuvaiheessa, tulokset ovat olleet lupaavia.

Kun Koneru on löytänyt optimaalisen materiaalin, hän toivoo voivansa suunnitella pastan, jota voitaisiin soveltaa auton pakoputkeen, muuntamaan hukkalämpöä sähköksi. Hän arvioi, että tällainen ratkaisu voisi maksaa alle 500 dollaria per ajoneuvo, ja se voisi vähentää kasvihuonekaasupäästöjä satoja miljoonia tonneja vuodessa.

"Nanomateriaalien viimeaikaisen kehityksen ja nanomateriaalien laskennallisten kalibrointien ansiosta spin-lämpömateriaalit voivat olla keskeisessä asemassa tulevaisuuden energiamuunnoksessa", toivoo Koneru.

Aiheesta aiemmin:

Nanolangoilla lämpö sähköksi tehokkaammin

Spinaallot hyötykäyttöön