Een rasterelektronenmicroscoopopname van de hoogentropielegeringen (afb: Shen Guo)

Het fenomeen thermo-elektriciteit, het omzetten van warmte in elektriciteit, is al lang bekend. Dat wordt, onder meer gebruikt bij temperatuurmeting (thermokoppels). Er is echter ook al lang de hoop dat thermo-elektriciteit een rol kan spelen bij het benutten van restwarmte. Het rendement is echter tot nu toe zo laag dat het de moeite niet loont, hoewel onderzoekers van de universiteit van Chalmers (Zwe) melden dat bij lage temperaturen al efficiënte thermo-elektrische systemen zouden bestaan. Zij zouden nu het ‘ideale’ materiaal hebben gevonden voor omzetting bij hoge temperaturen: legeringen met een hoge entropie. Ik moet het nog zien.

Restwarmte is een groot probleem. In de industrie, bij de energieopwekking en bij verbrandingsmotoren wordt veel energie verspild in de vorm van restwarmte. Zo wordt bij auto’s slechts eenderde van de in de brandstof opgeslagen energie omgezet in beweging, de rest is voornamelijk warmte die door de uitlaat de lucht in gaat. Iets minder verspillend gaat het toe bij de energieopwekking.Het thermo-elektrisch effect ontstaat op het raakvlak van twee verschillende materialen. Bij hoge temperaturen zou het rendement echter gering zijn. Dat zou te maken hebben met het probleem dat variëren met de elektrische geleidbaarheid in materiaal lastig is zonder de warmtegeleiding te veranderen. Bruikbare thermo-elektrische materialen moeten een hoge elektrische geleidbaarheid, een hoge Seebeck-coëfficiënt, de hoeveelheid elektrische energie die ontstaat bij een temperatuurverschil van 1 graad Kelvin, en lage thermische geleidbaarheid hebben. Onderzoeker Shen Guo deed onderzoek aan een legeringen met een hoge entropie, die uit tenminste vijf elementen bestaan, meestal metalen. Die legeringen zijn ook bij hoge temperaturen stabiel en de eigenschappen kunnen worden aangepast door de legeringsbestanddelen te variëren.
De onderzoekers waren vooral geïnteresseerd in legeringen van aluminium, kobalt, chroom, ijzer en nikkel. Door de hoeveelheid aluminium te variëren bleek het mogelijk de thermo-elektrische eigenschappen voor temperaturen tussen de 100 en 900°C te optimaliseren. De Seebeck-coëfficiënt blijkt te liggen tussen de -1µV/K tot -24 µV/K (de – heeft te maken met de stroomrichting). Dat schijnt opwindend te zijn.
Variatiemogelijkheden te over, maar de onderzoekers willen zich nu eerst verdiepen in de natuurkundige achtergrond van de resultaten om te kunnen voorspellen welke veranderingen een verdere verbetering van het thermo-elektrische rendement zal geven.

Bron: Futura-Sciences