Nieuw materiaal breekt wereldrecord om warmte om te zetten in elektriciteit

Een nieuw soort materiaal genereert zeer efficiënt elektrische stroom uit temperatuurverschillen. Hierdoor kunnen sensoren en kleine processors zichzelf draadloos van energie voorzien.

Thermo-elektrische materialen kunnen warmte omzetten in elektrische energie. Dit komt door het zogenaamde Seebeck-effect: als er een temperatuurverschil is tussen de twee uiteinden van zo’n materiaal, kan er elektrische spanning worden opgewekt en kan er stroom gaan lopen. De hoeveelheid elektrische energie die bij een bepaald temperatuurverschil kan worden opgewekt, wordt gemeten met de zogenaamde ZT-waarde: Hoe hoger de ZT-waarde van een materiaal, hoe beter de thermo-elektrische eigenschappen.

De beste thermo-elektrische materialen tot nu toe werden gemeten bij ZT-waarden van ongeveer 2,5 tot 2,8. Wetenschappers van de TU Wien (Wenen) zijn er nu in geslaagd een geheel nieuw materiaal te ontwikkelen met een ZT-waarde van 5 tot 6. Het is een dunne laag ijzer, vanadium, wolfraam en aluminium, aangebracht op een siliciumkristal.

Het nieuwe materiaal is zo effectief dat het zou kunnen worden gebruikt om sensoren of zelfs kleine computerprocessoren van energie te voorzien. In plaats van kleine elektrische apparaten aan te sluiten op kabels, zouden ze hun eigen elektriciteit kunnen opwekken uit temperatuurverschillen. Het nieuwe materiaal is nu gepresenteerd in het tijdschrift Nature.

Elektriciteit en temperatuur

“Een goed thermo-elektrisch materiaal moet een sterk Seebeck-effect vertonen, en het moet aan twee belangrijke eisen voldoen die moeilijk met elkaar te verenigen zijn,” zegt prof. Ernst Bauer van het instituut voor vaste-stoffysica van de TU Wien. “Aan de ene kant moet het zo goed mogelijk elektriciteit geleiden, aan de andere kant moet het zo min mogelijk warmte transporteren. Dat is een uitdaging, want elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid hangen meestal nauw samen.”

In het Christian Doppler Laboratory for Thermoelectricity, dat Ernst Bauer in 2013 aan de TU Wien heeft opgericht, zijn de afgelopen jaren verschillende thermo-elektrische materialen voor verschillende toepassingen bestudeerd. Dit onderzoek heeft nu geleid tot de ontdekking van een bijzonder opmerkelijk materiaal-een combinatie van ijzer, vanadium, wolfraam en aluminium.

“De atomen in dit materiaal zijn meestal gerangschikt in een strikt regelmatig patroon in een zogenaamd face-centered cubic rooster,” zegt Ernst Bauer. “De afstand tussen twee ijzeratomen is altijd hetzelfde, en hetzelfde geldt voor de andere soorten atomen. Het hele kristal is dus volkomen regelmatig.”

Wanneer echter een dunne laag van het materiaal op silicium wordt aangebracht, gebeurt er iets verbazingwekkends: de structuur verandert radicaal. Hoewel de atomen nog steeds een kubisch patroon vormen, zijn ze nu gerangschikt in een ruimtegecentreerde structuur, en de verdeling van de verschillende soorten atomen wordt volledig willekeurig. “Twee ijzeratomen kunnen naast elkaar zitten, de plaatsen ernaast kunnen worden ingenomen door vanadium of aluminium, en er is geen regel meer die dicteert waar het volgende ijzeratoom zich in het kristal bevindt,” legt Bauer uit.

Die mengeling van regelmaat en onregelmatigheid van de atomaire rangschikking verandert ook de elektronische structuur, die bepaalt hoe elektronen zich in de vaste stof bewegen. “De elektrische lading beweegt zich op een speciale manier door het materiaal, zodat het beschermd is tegen verstrooiingsprocessen. De delen van de lading die door het materiaal reizen, worden Weyl-fermionen genoemd,” zegt Ernst Bauer. Op deze manier wordt een zeer lage elektrische weerstand bereikt.

Roostertrillingen daarentegen, die warmte transporteren van plaatsen met een hoge temperatuur naar plaatsen met een lage temperatuur, worden geremd door de onregelmatigheden in de kristalstructuur. Daardoor neemt de warmtegeleiding af. Dat is belangrijk als uit een temperatuurverschil permanent elektrische energie moet worden opgewekt – want als temperatuurverschillen heel snel zouden kunnen equilibreren en het hele materiaal straks overal dezelfde temperatuur zou hebben, zou het thermo-elektrische effect tot stilstand komen.

Elektriciteit voor het internet der dingen

“Zo’n dunne laag kan natuurlijk geen bijzonder grote hoeveelheid energie opwekken, maar het heeft wel het voordeel dat hij uiterst compact en aanpasbaar is,” zegt Ernst Bauer. “We willen het gebruiken om energie te leveren voor sensoren en kleine elektronische toepassingen.” De vraag naar dergelijke kleinschalige generatoren neemt snel toe: In het “Internet of Things” worden steeds meer apparaten online aan elkaar gekoppeld, zodat ze hun gedrag automatisch op elkaar afstemmen. Dat is vooral veelbelovend voor toekomstige productiefabrieken, waar de ene machine dynamisch op de andere moet reageren.

“Als je in een fabriek een groot aantal sensoren nodig hebt, kun je ze niet allemaal aan elkaar koppelen. Het is veel slimmer als de sensoren hun eigen stroom kunnen opwekken met behulp van een klein thermo-elektrisch apparaat,” zegt Bauer.