Chaos en breuken blijken de sleutel tot hogere rendementen bij de omzetting van restwarmte naar elektriciteit. Mercouri Kanatzidis en collega’s presenteren in Nature het efficiëntste thermo-elektrische materiaal tot nu toe.

In thermo-elektrische materialen drijven temperatuurverschillen elektronen van de ene naar de andere kant. De beweging van de elektronen genereert een potentiaalverschil. Het zijn dus eigenlijk een soort batterijen. De Marsrover Curiosity bijvoorbeeld, zet via thermo-elektrische materialen hitte van zijn plutonium energiebron om in elektriciteit.

Ongeveer tweederde van alle gebruikte energie gaat nu verloren als restwarmte. Denk maar eens aan je laptop, auto of die goede oude gloeilamp. Ook in de zware industrie komt veel restwarmte vrij waar nu nog niets mee gedaan wordt. Maar de huidige thermo-elektrische materialen halen een omzetting van slechts 5-7% en zijn commercieel nog niet erg interessant.

De Amerikaanse onderzoekers begonnen met een van de bekendste thermo-elektrische materialen: loodtelluur (PbTe). Deze halfgeleider heeft normaal gesproken een heel ordelijke kristalstructuur, maar Kanatzidis en co introduceerden chaos door wat natriumatomen en strontiumtelluur nanokristallen toe te voegen. Deze chaotische kristallen laten elektronen door maar verstoren de warmtestroming gedurende korte tijd waardoor de temperatuurgradiënt intact blijft.

De volgende stap was het verstoren van de warmtestroming voor een langere tijd. Daarvoor creëerden de onderzoekers breuken in hun chaotische kristal. De scheurtjes bleken de warmtevibraties in het kristal te reflecteren, terwijl de elektronen nog steeds kunnen bewegen. Het nieuwe materiaal haalt een omzetting van 15-20%, minstens twee keer zoveel als conventionele PbTe materialen.

Industriële toepassingen komen daarmee dichterbij. Kanatzidis zelf is erg optimistisch, tegen Nature News zei hij:“de materialen die we nu hebben zijn goed genoeg voor toepassingen, ik denk dat we binnen 2-3 jaar iets hebben”. Thermo-elektrische materialen lijken vooral interessant voor de auto- en zware industrie en voor toepassingen op plaatsen waar grote verbrandingsmotoren continu draaien zoals in grote schepen en tankers.

Er is echter één nadeel, telluur is vrij schaars.

Bron: Nature