Het idee van een thermo-elektrische generator (afb: Saxion-hogeschool)

De manier waarop mensen stroom opwekken is vreselijk armoedig. Daartoe brengen een potje water aan de kook, waarvan de stoom een rad laat draaien waardoor er een wisselend (=draaiend) elektromagnetisch veld ontstaat (als je de juiste materialen gebruikt) dat voor elektrische stroom zorgt. Directe omzetting van zon en/of warmte is een stuk bijdehanter. Zonnecellen hebben we al en er wordt allang gesleuteld aan de directe omzetting van warmte in stroom/elektriciteit, maar thermo-elektriciteit is allesbehalve gemeengoed geworden (dus niet echt een succes). Nu denken onderzoekers een goedkoop materiaal gevonden te hebben dat daar verandering in zou kunnen brengen.
“Dit lijkt een slimme manier om een hoge opbrengst te verwezenlijken”, zegt Li-Dong Zhao, een Chinese materiaaldeskundige die niet bij het onderzoek betrokken is geweest. Hij stelt dat er nog wel wat stappen te nemen zijn voor er thermo-elektrische generatoren mogelijk zijn, maar hij denkt dat dat niet al te lang zal duren.
Omzetten van warmte in stroom gebeurt door halfgeleiders op een heet oppervlak te plaatsen. Daardoor ontstaat er in de halfgeleider een temperatuurgradiënt waardoor er een elektronenstroom gaat lopen. Die houdt op als de koude zijde even warm is geworden als de hete. Als je dat kunt voorkomen in een materiaal dat ook elektronen geleidt dan dan heb je je thermo-elektrische generator. Dat vermogen wordt door Amerikanen (?) aangeduid met maat van verdienste dat die dan weer afkorten (?) tot ZT.
De laatste pakweg twintig jaar zijn er thermo-elektrische materialen ontwikkeld met toenemende ZT’s. Het record werd gevestigd door een groep rond Mercouri Kanatzidis in 2014, toen die met een kristal tinselenide een ZT behaalde van 3,1. Vervelend is natuurlijk dat tinselenide moeilijk te maken is en te ‘breekbaar’ om mee te werken. Niet echt bedoeld voor praktische toepassingen”, zegt Kanatzidis nu.
Dus besloten de onderzoekers het maar eens het niet met kristallen te doen maar met polykristallijn tinselenide. Die polykristallijne korrels kunnen heet worden samengeperst tot staafjes van 3 tot 5 cm. Daar kan je wat mee. De staafjes zijn ook veel stabieler dan de kristallen. Kanatzidis dacht dat de grenzen tussen de polykristallijne korrels in de staafjes zorgt voor vertraging van de opwarming door het materiaal heen. Het bleek anders. Toen de onderzoekers het polykristallijne materiaal testten schoot de warmtegeleiding omhoog en daalde de maat van verdienste tot 1,2 (een ZT van 1 zou de ondergrens zijn voor commercieel gebruik).

In 2016 ontdekten de onderzoekers de oorzaak. Er had zich een ultradunne laag tinoxide gevormd rond de polykristallijne tinselenidekorrels voordat ze tot staafjes werden geperst. Dat schijnt een goede warmtegeleider te zijn. Truc is dan om ervoor te zorgen dat je tijdens het maken van de staafjes geen zuurstof toelaat.

ZT 3,1

Het resultaat is dat de warmtegeleiding niet alleen lager is dan die in een kristal tinselenide, maar dat de ZT ook op 3,1 uitkomt. Kanatzidis: “Dit opent de deur naar toepassingen.” Het duurt nog wel even om die deur te openen. Het polykristallijne tinselenide dat de onderzoekers maakten bevat natriumionen om een p-materiaal te maken dat positieve ladingen geleidt. Om werkende thermo-elektrische generatoren te kunnen maken heb je ook n-materiaal nodig dat negatieve ladingen geleidt.
Zhao en de zijnen zouden daarin geslaagd te zijn door een kristal tinselenide te doteren met broomatomen. Kanatzidis zegt daar nu aan te werken. Als het zover is dat zouden zeer efficiënte thermo-elektrische generatoren kunnen worden gemaakt, denken de onderzoekers, waarmee afvalwarmte toch nog nuttig zou kunnen worden gemaakt. Ik vraag me dan onmiddellijk af: hoeveel seleen hebben we binnen handbereik (oftewel: hoe zit het met de grondstoffen?)?

Bron: Science