Egy új típusú anyag nagyon hatékonyan termel elektromos áramot a hőmérsékletkülönbségekből. Ez lehetővé teszi, hogy az érzékelők és a kis processzorok vezeték nélkül energiával lássák el magukat.
A termoelektromos anyagok képesek a hőt elektromos energiává alakítani. Ez az úgynevezett Seebeck-effektusnak köszönhető: ha egy ilyen anyag két vége között hőmérséklet-különbség van, elektromos feszültséget lehet létrehozni, és áramot lehet indítani. Az adott hőmérsékletkülönbség mellett előállítható elektromos energia mennyiségét az úgynevezett ZT-értékkel mérik: Minél magasabb egy anyag ZT-értéke, annál jobbak a termoelektromos tulajdonságai.
Az eddigi legjobb termoelektromos anyagokat 2,5 és 2,8 körüli ZT-értékek mellett mérték. A TU Wien (Bécs) tudósainak most sikerült egy teljesen új, 5-6-os ZT-értékkel rendelkező anyagot kifejleszteniük. Ez egy szilíciumkristályra felvitt vékony vas-, vanádium-, volfrám- és alumíniumréteg.
Az új anyag olyan hatékony, hogy akár érzékelők vagy kis számítógépes processzorok energiaellátására is felhasználható lenne. Ahelyett, hogy a kis elektromos eszközöket kábelekhez csatlakoztatnák, azok a hőmérsékletkülönbségekből saját maguk termelhetnének áramot. Az új anyagot most a Nature című folyóiratban mutatták be.
Elektromosság és hőmérséklet
“Egy jó termoelektromos anyagnak erős Seebeck-effektust kell mutatnia, és két fontos követelménynek kell megfelelnie, amelyeket nehéz összeegyeztetni” – mondja Ernst Bauer professzor, a TU Wien Szilárdtestfizikai Intézetének munkatársa. “Egyrészt a lehető legjobban kell vezetnie az elektromosságot, másrészt a lehető legkevesebb hőt kell szállítania. Ez azért jelent kihívást, mert az elektromos vezetőképesség és a hővezető képesség általában szorosan összefügg.”
A Christian Doppler Termoelektromos Laboratóriumban, amelyet Ernst Bauer 2013-ban alapított a TU Wienben, az elmúlt években különböző termoelektromos anyagokat vizsgáltak különböző alkalmazásokhoz. Ezek a kutatások most egy különösen figyelemre méltó anyag felfedezéséhez vezettek – vas, vanádium, volfrám és alumínium kombinációjához.
“Az atomok ebben az anyagban általában szigorúan szabályos mintázatban, egy úgynevezett arcközpontú köbös rácsban helyezkednek el” – mondja Ernst Bauer. “A két vasatom közötti távolság mindig azonos, és ugyanez igaz a többi atomtípusra is. Az egész kristály tehát teljesen szabályos.”
Amikor azonban az anyagból egy vékony réteg szilíciumra kerül, valami elképesztő dolog történik: a szerkezet gyökeresen megváltozik. Bár az atomok még mindig kocka alakú mintázatot alkotnak, most már tércentrikus szerkezetbe rendeződnek, és a különböző típusú atomok eloszlása teljesen véletlenszerűvé válik. “Két vasatom ülhet egymás mellett, a mellettük lévő helyeket elfoglalhatja vanádium vagy alumínium, és már nincs olyan szabály, amely megszabná, hogy a kristályban hol található a következő vasatom” – magyarázza Bauer.”
Az atomelrendezés szabályosságának és szabálytalanságának ez a keveréke megváltoztatja az elektronszerkezetet is, amely meghatározza, hogyan mozognak az elektronok a szilárd anyagban. “Az elektromos töltés különleges módon mozog az anyagban, így védve van a szóródási folyamatoktól. Az anyagon áthaladó töltésrészeket Weyl-fermionoknak nevezzük” – mondja Ernst Bauer. Így nagyon alacsony elektromos ellenállás érhető el.”
A rácsrezgéseket viszont, amelyek a magas hőmérsékletű helyekről az alacsony hőmérsékletű helyek felé szállítják a hőt, a kristályszerkezet szabálytalanságai gátolják. Ezért csökken a hővezető képesség. Ez fontos, ha a hőmérsékletkülönbségből tartósan elektromos energiát akarunk előállítani – mert ha a hőmérsékletkülönbségek nagyon gyorsan kiegyenlítődnének, és az egész anyag hamarosan mindenhol azonos hőmérsékletű lenne, a termoelektromos hatás leállna.
Elektromosság a dolgok internetéhez
“Természetesen egy ilyen vékony réteg nem tud különösen nagy mennyiségű energiát előállítani, de megvan az az előnye, hogy rendkívül kompakt és alkalmazkodó” – mondja Ernst Bauer. “Arra szeretnénk használni, hogy érzékelők és kis elektronikai alkalmazások számára energiát biztosítsunk belőle”. Az ilyen kis méretű generátorok iránti kereslet gyorsan növekszik: A “dolgok internetében” egyre több eszközt kapcsolnak össze online, hogy azok automatikusan összehangolják viselkedésüket egymással. Ez különösen ígéretes a jövőbeli termelőüzemek számára, ahol az egyik gépnek dinamikusan kell reagálnia a másikra.
“Ha egy gyárban nagyszámú érzékelőre van szükség, nem lehet mindet összedrótozni. Sokkal okosabb, ha az érzékelők egy kis termoelektromos eszközzel képesek saját energiát termelni” – mondja Bauer.
További információk: B. Hinterleitner et al. Thermoelectric performance of a metastable thin-film Heusler alloy, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1751-9
A folyóirat információi: Nature
A Bécsi Műszaki Egyetem rendelkezésre bocsátotta