De nanozuiltjes zouden de warmtegeleiding verminderen, maar de elektrische geleiding ongemoeid laten (afb.: Mahmoud Hussein)
Thermoelektriciteit is een techniek om warmte direct om te zetten in stroom, zonder de tussenkomst van potjes kokend water en stoom. Onderzoekers van de universiteit van Colorado rond Mahmoud Hussein schijnen een methode ontwikkeld te hebben waarmee thermoelektrische materialen aanzienlijk beter presteren. Die methode houdt een belofte in dat we al die warmte die we nu nog ongebruikt de atmosfeer in sturen op een dag een nuttige bestemming kunnen geven. Nanopilaartjes schijnen daarbij een cruciale rol te spelen.
Het thermoelektrische effect is al in 1822 ontdekt. Thermokoppels maken van dat effect gebruik om de temperatuur te meten. Het komt er op neer dat er een spanningsverschil ontstaat als bij twee verschillende met elkaar verbonden materialen de een wordt verwarmd en de ander niet. Omgekeerd ontstaat er warmteverschil als er stroom wordt gezet op dat bimetaalcircuit.
Het gebruik van thermoelektriciteit is altijd vrij beperkt gebleven om dat metalen niet allen elektronen goed geleiden, maar ook de warmte. Zodra er een warmteverschil is en er stroom gaat lopen, wordt dat warmteverschil door geleiding ook weer kleiner. Tot in de jaren 90 probeerden onderzoekers dat dilemma op te lossen door op te zoek te gaan naar materialen die de stroom goed geleiden, maar de warmte veel minder goed.
Toen kwam de nanotechnologie (of liever gezegd: die werd geproclameerd, nanotechnologie was er altijd al in de vorm van scheikunde). Die gaf onderzoekers de mogelijkheid materiaal tot op nanoniveau (eenmiljoenste mm) te manipuleren, bijvoorbeeld door gaten of deeltjes in te bouwen die de warmtegeleiding meer hindert dan de elektrische geleiding. Toch bleek het niet goed mogelijk de warmtegeleiding te verminderen zonder ook de elektrische geleiding aan te tasten.
Nu lijkt het er op dat ze in de universiteit van de Amerikaanse staat Colorado het ei van Columbus gevonden hebben. Houssein en zijn mede-onderzoekers bouwden in een rekenmodel een rasterwerk van nanopilaartjes op op een plaat thermoelektrisch materiaal. De warmte wordt in dat materiaal doorgegeven in de vorm van trillingen. De atomen in de zuiltjes trillen ook bij verschillende frekwenties. Hussein gebruikte een computermodel om te laten zien dat de trillingen van de zuiltjes wisselwerken met de warmtetrillingen, waardoor de warmtestroom trager wordt. De pilaartjes zouden de elektrische geleiding niet verminderen. Volgens de onderzoekers zouden de pilaartjes de warmtegeleiding halveren, maar dat zou ook wel veel meer kunnen zijn, omdat nogal conservatief is gerekend.
“Als we thermoelektrische omzetting aanzienlijk kunnen verbeteren, dan ontstaan er allerlei interessante toepassingen”, zegt de onderzoeker. Hij denkt dan aan het omzetten van afvalwarmte in elektriciteit. Daarmee zou ook het rendement van zonnepanelen kunnen worden verbeterd of van koelkasten.
De volgende stap is het materiaal ook daadwerkelijk te maken en te testen in het lab. Hussein hoopt ook de modellen te kunnen verfijnen die ten grondslag liggen aan het huidige werk, om meer van de onderliggende natuurkunde te begrijpen. “Daar werken we nu aan met een groep sterk gemotiveerde promovendi.”
Bron: Science Daily