Rautapohjainen lämpösähkögeneraattori

Vasemmalla poikkeavaan Nernst-ilmiöön ja oikealla Seebeck-ilmiöön perustuva lämpösähköinen rakenne. (V) edustaa virran suuntaa, (T) lämpötilagradienttia ja (M) magneettikenttää.

Tokion yliopiston tutkijat ovat löytäneet tavan muuntaa lämpöenergia sähköksi myrkyttömällä materiaalilla. Materiaali on enimmäkseen rautaa, joka on suhteellisen runsauden vuoksi erittäin halpa.

Tutkimusapulainen Akito Sakai ja Tokion yliopiston eri osastojen jäsenet, joita johtaa professori Satoru Nakatsuji ja professori Ryotaro Aritan ovat kehitelleet innovatiivista rautapohjaista lämpösähköistä materiaalia.

"Toistaiseksi kaikki termosähköä tuottavat tutkimukset ovat keskittyneet vakiintuneeseen, mutta rajalliseen Seebeck-vaikutukseen", toteaa Nakatsuji. "Sitä vastoin me keskityimme suhteellisen vähemmän tuttuun ilmiöön, nimeltään poikkeava Nernst-ilmiö (ANE)."

ANE tuottaa jännitteen, joka on kohtisuora lämpötilagradientin suuntaan sopivan materiaalin pinnan yli. Ilmiö voisi auttaa yksinkertaistamaan termosähköisten generaattoreiden suunnittelua ja parantamaan niiden muuntohyötysuhdetta, jos oikeat materiaalit ovat helpommin saatavissa.

"Valmistimme materiaalia, joka on 75 prosenttia rautaa ja 25 prosenttia alumiinia (Fe3Al) tai galliumia (Fe3Ga)", Sakai kertoo. "Tämä lisäsi merkittävästi ANE-ilmiötä. Näimme jännitteen kaksikymmenkertaisen hypyn verrattuna tehottomiin näytteisiin, mitä oli mielenkiintoista nähdä."

Tämä ei ole ensimmäinen kerta, kun ryhmä on osoittanut ANE:tä, mutta aiemmissa kokeissa käytettiin vähemmän saatavissa olevia ja rautaa kalliimpia materiaaleja. Tämän laitteen vetovoima perustuu osittain sen halpoihin ja myrkyttömiin ainesosiin. Lisäksi se voidaan valmistaa ohutkalvomuodossa, joten se voidaan muovata eri sovelluksia varten.

"Nyt luomamme ohuet ja joustavat rakenteet voisivat kerätä energiaa tehokkaammin kuin Seebeck-ilmiöön perustuvat generaattorit", Sakai selvittää. Tutkijat toivovat löydön johtavan esimerkiksi erilaisien anturien tarpeisiin sopivaan uudenlaiseen lämpösähköiseen pienenergian tuottoon.

Aiemmin aiheeseen liittävä materiaalitieteen kehitys tapahtui pääasiassa toistuvien iteraatioiden ja parannusten avulla kokeissa, jotka olivat sekä aikaavieviä että kalliita. Nyt ryhmä luotti vahvasti laskentamenetelmiin vähentäen siten aikaa alkuperäisen idean ja menestyneen todistuksen välillä.

"Numeeriset laskelmat auttoivat suuresti löytöämme; esimerkiksi nopea automaattinen laskenta auttoi meitä löytämään sopivia materiaaleja testattavaksi", sanoi Nakatsuji.

"Tähän asti tällainen numeerinen laskenta oli kohtuuttoman vaikeaa", sanoi Arita. "Toivomme siis, että paitsi materiaalimme, myös laskennalliset tekniikkamme voivat olla hyödyllisiä työkaluja myös muille. Olemme kaikki innokkaita näkemään jonain päivänä keksintömme pohjalta syntyneitä laitteita."

Aiheesta aiemmin: Edullisempaa lämpösähköä?