De vacuümemulator (foto: ETHZ)
Het maken van elektriciteit is een nogal inefficiënte en ouderwetse bezigheid. Je maakt een pot water warm, wringt de stoom die daarvan af komt door wat pijpjes en brengt met de zo ontstane gasstroom een magneet aan het draaien die wisselstroom induceert in een spoel. We kunnen duur doen, maar zo primitief is het nog steeds. De zon is een gulle schenker van energie, maar wij, slimme mensen, weten daar nauwelijks van te profiteren. Zonnecellen zijn een elegante manier om licht direct om te zetten in elektriciteit, maar daar zijn we al jaren mee aan het knoeien, vooral vanwege de hoge kosten en het relatief lage rendement (dat is een kip/ei-verhaal). Er zijn ook technieken om direct warmte om te zetten in elektriciteit, maar ook die kampen met lage relatief rendement. Aan de Eidgenossische technische Hochschule Zürich schijnt wat dat betreft nu een stap in de goede richting gezet te zijn: een systeem dat helpt bij het zoeken naar hogere rendementen, de thermoelektrische materiaalemulator.
Lage rendementen van min of meer duurzame vormen van energieopwekking zoals zonnecellen of windmolens, worden altijd aangevoerd door voorstanders van de oude energie, maar als er één systeem volslagen onrendabel is dan is het wel de zelfbeweger (de automobiel dus). Er is wel eens uitgerekend (niet door mij) dat van de energie die in de aardolie is opgeslagen die in de bodem zit, uiteindelijk minder dan 1% wordt gebruikt voor de voortbeweging van het automobiel (en inzittenden). Dan lijken de rendementen van alternatieve energievormen ineens heel indrukwekkend.
De directe omzetting van warmte in elektriciteit, thermo-elektrische energie, is al uit de 19de eeuw bekend. Net zoals bij zonne- en brandstofcellen kampt die technische elegante vorm van stroomopwekking met een (te) laag rendement. Een groep onderzoekers van de vakgroep kwantumoptica heeft dat zicht op een beter rendement nu een duw in de goede richting gegeven met wat zij noemen een thermoelektrische materiaalemulator .
Het gebeurde bijna bij toeval toen ETH-onderzoeker Jean-Philippe Brantut bezoek kreeg van Antoine Georges van de universiteit van Genève . Die reageerde enthousiast op wat hij daar te zien kreeg. Brantut: “We dachten niet met ons experiment efficiënt thermoelektriciteit te kunnen opwekken, maar Georges vertelde ons dat hij en collega’s al jaren op zoek waren naar de opzet die wij gebruikten.” Georges kwam de volgende dag terug en overtuigde Brantut van de juistheid van zijn opzet. Dit bezoek leidde tot samenwerking tussen, onder meer, Georges en de ETH-groep en tot de ‘grote sprong voorwaarts’.
Zoals gezegd is het rendement van thermoelektrische opwekking laag, omdat het thermoelektrische effect van de bekende materialen die dat fenomeen vertonen laag is. Op het ogenblik wordt deze techniek alleen gebruikt voor exotische toepassingen zoals de stroomvoorziening van het Marskarretje Curiosity of voor andere niche-toepassingen, maar, onder meer, autofabrikanten zien er wel brood in. In auto’s, en niet alleen daar, wordt een hoop energie verspild in de vorm van ongewenste warmte. En wat zou het mooi zijn als je je debiel, pardon, mobiel zou kunnen opladen met je lichaamswarmte? Geen geknoei meer met adapters, maar dan moeten die rendementen toch omhoog en daarvoor lijkt de ontwikkeling bij de ETH een stap in de goede richting.
De thermoelektrische materiaalemulator is een glazen vacuümruimte. Daarbinnen bevinden zich lithiumatomen in de gasfase. Met behulp van lasers wordt de temperatuur van het gas tot nabij het absolute nulpunt (min 273°C) gebracht. Onder die omstandigheden gedragen de bijna tot stilstand gekomen lithiumatomen zich als elektronen in een vaste stof. Het ETH heeft veel ervaring met het door lasers ‘gevangen’ atomen te gebruiken om het gedrag van complexe materialen na te bootsen. Die techniek is, onder meer, toegepast bij het bestuderen van supergeleiders en magneten, maar de onderzoekers hadden niet gedacht dat hun nieuwe experimenten ergens toe zouden leiden. “Met simpele hulpmiddelen hebben we thermoelektriciteit kunnen simuleren, die net zo efficiënt is als in natuurlijke materialen”, stelt vakgroepsleider Tilman Esslinger. “Ons experiment experiment is een soort ijkpunt”, zegt Brantut. De komende jaren zal de groep complexere systemen onder de loep nemen op zoek naar hogere rendementen. Het Zwitserse systeem biedt de mogelijkheid theorie en praktijk van de thermoelektriciteit te ‘verenigen’. Het is nu mogelijk te onderzoeken wat de gevolgen zijn van defecten in materialen op hun thermoelektrische ‘vermogen’.
Bron: Science Daily