Suola ja kulta tuottavat sähköä

Illinoisin Urbana-Champaignin yliopiston tutkijaryhmä on raportoinut suunnitelmasta nanofluidilaitteelle, joka pystyy muuttamaan ionivirran käyttökelpoiseksi sähkövoimaksi. Tiimi uskoo, että heidän laitettaan voitaisiin käyttää energian keräämiseen luonnollisista ionivirroista meriveden ja makean veden rajoilla.

"Vaikka suunnittelumme on tässä vaiheessa vielä konsepti, se on melko monipuolinen ja tarjoaa jo vahvaa potentiaalia energiasovelluksiin", sanoo projektin vetäjä Jean-Pierre Leburton. "Se alkoi akateemisesta kysymyksestä "Voiko nanomittakaavan solid-state-laite ottaa energiaa ionivirrasta?", mutta suunnittelumme ylitti odotuksemme ja yllätti meidät monella tapaa."

Kun kaksi eri suolapitoisuuden vesistöä kohtaavat, esimerkiksi kun joki laskee valtamereen, suolamolekyylit virtaavat suuremmasta pitoisuudesta pienempään. Näiden virtausten energia voidaan kerätä talteen, koska ne koostuvat sähköisesti varautuneista ioni-hiukkasista jotka muodostuvat liuenneesta suolasta.

Leburtonin ryhmän nanomittakaavan puolijohdelaite hyödyntää "Coulomb-drag -ilmiötä virtaavien ionien ja laitteen sähkövarausten välillä. Kun ionit virtaavat laitteessa olevan kapean kanavan läpi, sähköiset voimat saavat laitteen varaukset siirtymään puolelta toiselle luoden jännitettä ja sähkövirtaa.

Tutkijat patentoivat parhaillaan löytöjään ja tutkivat, kuinka näiden laitteiden koosteet voitaisiin skaalata käytännön sähköntuotantoon.

"Uskomme, että laitekoosteen tehotiheys voi vastata tai ylittää aurinkokennojen tehotiheyden", Leburton vakuuttaa. "Ja puhumattakaan mahdollisista sovelluksista muilla aloilla, kuten biolääketieteellinen tunnistus ja nanofluidiikka."

TU Wienin fyysikot ovat puolestaan onnistuneet löytämään metalliseoksia, joilla on korkea johtavuus ja poikkeuksellisen suuri Seebeck-kerroin. Siten se lupailee ”kultaista” tulevaisuutta lämpösähköille.

Magneettisen metallinikkelin sekoittaminen jalometallikultaan muuttaa elektronisia ominaisuuksia radikaalisti. Heti kun kullan kellertävä väri häviää, kun siihen lisätään noin 10 % nikkeliä, lämpösähköinen suorituskyky paranee nopeasti.

Näin tehostetun Seebeck-ilmiön fyysinen alkuperä juontaa juurensa elektronien energiariippuvaiseen sirontakäyttäytymiseen - vaikutukseen, joka eroaa olennaisesti puolijohtavista lämpösähköistä.

Nikkeliatomien erityisistä elektronisista ominaisuuksista johtuen positiiviset varaukset hajaantuvat voimakkaammin kuin negatiiviset varaukset, mikä johtaa haluttuun epätasapainoon ja siten korkeaan lämpösähköiseen jännitteeseen. Saavutetut ennätykselliset lämpösähköiset tehokertoimien arvot ylittävät selvästi tavanomaisten puolijohteiden arvot.

Kullan avulla tutkijat pystyivät osoittamaan, että puolijohteiden ohella myös metalleilla voi olla hyviä lämpösähköisiä ominaisuuksia, mikä tekee niistä soveltuvia erilaisiin sovelluksiin. Tällä hetkellä ryhmä tutkii myös muita lupaavia ehdokkaita, jotka eivät vaadi kallista kultaa.

Aiheista aiemmin:

Ioneista käyttövoimaa droneille ja biosiruille

Lämpösähköisiä nopeasti

Käytännöllisiä lämpösähkömateriaaleja

Paramagneettiset spinit tuottavat sähköä lämmöstä