Nytt material slår världsrekord i att omvandla värme till elektricitet

En ny typ av material genererar elektrisk ström mycket effektivt från temperaturskillnader. Detta gör det möjligt för sensorer och små processorer att förse sig själva med energi trådlöst.

Thermoelektriska material kan omvandla värme till elektrisk energi. Detta beror på den så kallade Seebeck-effekten: Om det finns en temperaturskillnad mellan de två ändarna av ett sådant material kan elektrisk spänning genereras och ström börja flöda. Mängden elektrisk energi som kan genereras vid en given temperaturskillnad mäts med det så kallade ZT-värdet: Ju högre ZT-värde ett material har, desto bättre är dess termoelektriska egenskaper.

De bästa termoelektriska materialen hittills uppmättes vid ZT-värden på omkring 2,5-2,8. Forskare vid TU Wien (Wien) har nu lyckats utveckla ett helt nytt material med ett ZT-värde på 5-6. Det är ett tunt skikt av järn, vanadin, volfram och aluminium som appliceras på en kiselkristall.

Det nya materialet är så effektivt att det skulle kunna användas för att ge energi till sensorer eller till och med små datorprocessorer. I stället för att ansluta små elektriska apparater till kablar skulle de kunna generera sin egen elektricitet från temperaturskillnader. Det nya materialet har nu presenterats i tidskriften Nature.

Elektricitet och temperatur

”Ett bra termoelektriskt material måste uppvisa en stark Seebeck-effekt, och det måste uppfylla två viktiga krav som är svåra att förena”, säger professor Ernst Bauer från institutet för fasta tillståndets fysik vid TU Wien. ”Å ena sidan ska det leda elektricitet så bra som möjligt, å andra sidan ska det transportera värme så dåligt som möjligt. Detta är en utmaning eftersom elektrisk ledningsförmåga och värmeledningsförmåga vanligtvis är nära relaterade.”

I Christian Doppler-laboratoriet för termoelektricitet, som Ernst Bauer inrättade vid TU Wien 2013, har olika termoelektriska material för olika tillämpningar studerats under de senaste åren. Denna forskning har nu lett till upptäckten av ett särskilt anmärkningsvärt material – en kombination av järn, vanadin, volfram och aluminium.

”Atomerna i det här materialet är vanligtvis ordnade i ett strikt regelbundet mönster i ett så kallat ansiktscentrerat kubiskt gitter”, säger Ernst Bauer. ”Avståndet mellan två järnatomer är alltid detsamma, och detsamma gäller för de andra typerna av atomer. Hela kristallen är därför helt regelbunden.”

När ett tunt lager av materialet appliceras på kisel händer dock något fantastiskt: strukturen förändras radikalt. Även om atomerna fortfarande bildar ett kubiskt mönster är de nu arrangerade i en rymdcentrerad struktur, och fördelningen av de olika typerna av atomer blir helt slumpmässig. ”Två järnatomer kan sitta bredvid varandra, platserna bredvid dem kan upptas av vanadin eller aluminium, och det finns inte längre någon regel som dikterar var nästa järnatom ska finnas i kristallen”, förklarar Bauer.

Denna blandning av regelbundenhet och oregelbundenhet i atomarrangemanget förändrar också den elektroniska strukturen, som bestämmer hur elektronerna rör sig i det fasta ämnet. ”Den elektriska laddningen rör sig genom materialet på ett speciellt sätt, så att den skyddas från spridningsprocesser. De delar av laddningen som rör sig genom materialet kallas Weyl-fermioner”, säger Ernst Bauer. På detta sätt uppnås ett mycket lågt elektriskt motstånd.

Gittervibrationer, å andra sidan, som transporterar värme från platser med hög temperatur till platser med låg temperatur, hämmas av oregelbundenheterna i kristallstrukturen. Därför minskar värmeledningsförmågan. Detta är viktigt om elektrisk energi ska genereras permanent från en temperaturskillnad – för om temperaturskillnaderna skulle kunna utjämnas mycket snabbt och hela materialet snart skulle ha samma temperatur överallt, skulle den termoelektriska effekten gå i stå.

Elektricitet för sakernas internet

”Ett så tunt skikt kan naturligtvis inte generera särskilt mycket energi, men det har fördelen att det är extremt kompakt och anpassningsbart”, säger Ernst Bauer. ”Vi vill använda det för att ge energi till sensorer och små elektroniska tillämpningar.” Efterfrågan på sådana småskaliga generatorer ökar snabbt: I ”sakernas internet” kopplas allt fler apparater samman online så att de automatiskt samordnar sitt beteende med varandra. Detta är särskilt lovande för framtida produktionsanläggningar, där en maskin måste reagera dynamiskt på en annan.

”Om du behöver ett stort antal sensorer i en fabrik kan du inte koppla ihop dem alla. Det är mycket smartare om sensorerna kan generera sin egen ström med hjälp av en liten termoelektrisk enhet”, säger Bauer.