Tehokkaampaa hukkalämmön keruuta

Monet laitteet tuottavat hukkalämpöä, jota sopivien tekniikoiden avulla voisi muuntaa sähköksi.

Vuonna 2014 Northwestern Universityn tutkijat havaitsivat, että edullinen tina-selenidi, voisi olla maailman tehokkain lämpösähköinen materiaali. Nyt Oak Ridge National Laboratoryssa on tutkittu sen perusfysiikkaa.

Seebeck-vaikutuksen kautta, lämpösähkölaitteet tuottavat jännitettä ja virtaa, kun lämpötilaero säilyy. Tai ulkoisella sähkölähteellä käytettäessä, laitteet voivat aktiivisesti pumpata lämpöä pois jäähdytyslaitteista.

Jotta nämä laitteet toimisivat, materiaalissa tulee säilyä käyttökelpoinen lämpötilaero, eli lämpösähkömateriaalilla täytyy olla hyvä johtavuus sähkölle mutta huono johtavuus lämmölle.

Nyt tutkijat löysivät tina-selenidin hyvin alhaisen lämmönjohtavuuden alkuperäksi epätavalliset atomivärähtelyt eli fononit, jotka auttavat ehkäisemään lämpövuotoa, maksimoiden sähköksi muuntamista.

Parempi ymmärrys taustalla olevista perusperiaatteista mahdollistaisi tätäkin tehokkaampien materiaalien suunnittelun ja niiden paremman sovittamisen esimerkiksi aurinkokennoihin.

Myös University of Coloradon tutkijat ovat tehostamassa hukkalämpöä keräävää järjestelmää. He ovat muokanneet hukkalämpöä säteilevää materiaalipintaa tehostamaan noin yhden terahertsin taajuista lämpösäteilyä.

Samoin kuin ilmassa olevaa sähkömagneettisia värähtelyä voidaan muuntaa tasavirraksi antenni-tasasuuntaaja rakenteella (rectenna), sillä voidaan kerätä myös lämpösäteilyä. Nyt tutkijat liittivät näitä rectennoja materiaalin pintaan.

Tutkijat tuottivat kuparilevyyn säännöllisiä nanokaivantoja ja se tosiaan tuotti pinta-aaltoja, joita heidän simulaationsa oli ennustanut. Tietokonemallinnuksen avulla he sitten suunnittelivat rusettimaisen antennin, joka kaappaa tehokkaasti tätä tehostettua termistä emissiota.

Simulaatioiden mukaan lähelle pintaa sijoitettu antenni voisi kaapata 10000 - 100000 kertaa enemmän lämpöenergiaa kuin avoimessa tilassa oleva antenni.

Aiheesta aiemmin:

Läpimurto lämpösähköisissä materiaaleissa