EnglishBeetje titanium maakt laagje dat warmte in stroom omzet 250 keer beter
Japanse onderzoekers maken een flinterdun laagje dat warmte omzet in stroom zo'n 250 keer beter, door er wat titanium aan toe te voegen. Het kan gewoon bij kamertemperatuur worden aangebracht. Een eerste proefgenerator werkt; nu volgen een betere tweede laag en proeven op buigzaam materiaal.
Overal gaat warmte verloren: in de processor van een laptop, in een fabriek, in de motor van een auto. Thermo-elektrische materialen kunnen een deel van die warmte direct omzetten in elektriciteit, zonder bewegende onderdelen. Onderzoekers van de Japanse Tohoku University hebben zo'n materiaal nu een stuk beter gemaakt, terwijl het gewoon bij kamertemperatuur kan worden aangebracht.
Het team van universitair docent Yi Shuang, student Junya Kurahashi en hoogleraar Yuji Sutou voegde een klein beetje titanium toe aan dunne laagjes chroomnitride, een harde verbinding van chroom en stikstof. Daardoor werd het laagje zo'n 250 keer beter in het omzetten van warmte in stroom dan dezelfde laag zonder titanium. Ze beschrijven het werk in het vakblad Journal of Materials Chemistry A.
Hoe maakt warmte stroom?
Verwarm je één kant van een thermo-elektrisch materiaal en houd je de andere kant koel, dan schuiven elektronen van de warme naar de koude kant. Daardoor ontstaat een elektrische spanning tussen de twee uiteinden, net als bij een batterij. Sluit je er een draad op aan, dan loopt er stroom.
Een goed materiaal moet twee dingen tegelijk kunnen. Het moet per graad temperatuurverschil een flinke spanning opbouwen, en het moet de stroom goed geleiden. Die twee zitten elkaar meestal in de weg. Een materiaal met veel vrij bewegende elektronen geleidt goed, maar bouwt weinig spanning op. Met weinig vrije elektronen is het andersom.
Het probleem: ontbrekende stikstof
Chroomnitride is aantrekkelijk omdat het als dun laagje kan worden aangebracht bij kamertemperatuur. Dan kan het ook op materialen die niet tegen hitte kunnen, zoals buigzaam plastic of kleine elektronische onderdelen. Maar bij die lage temperatuur komen niet alle stikstofatomen op hun plek. Elke lege plek levert extra losse elektronen op. Het laagje krijgt er daardoor te veel, en bouwt dus weinig spanning op.
Normaal los je dat op door de laag bij hoge temperatuur te laten groeien op een speciale kristalplaat. Dan ontstaan er minder lege plekken, maar valt het voordeel van kamertemperatuur weg.
Titanium houdt de stikstof vast
Titanium bindt stikstof sterker dan chroom. Daarom brachten de onderzoekers chroom, titanium en stikstof tegelijk aan, met tussen de 4,6 en 9,3 procent titaniumatomen. Hoe meer titanium, hoe meer stikstof er in de laag bleef zitten en hoe minder lege plekken er waren.
Het gevolg: er waren minder overtollige elektronen, waardoor de spanning per graad omhoogging. Tegelijk konden de overgebleven elektronen zich ongeveer honderd keer makkelijker door het materiaal bewegen. Daardoor ging het geleiden er niet op achteruit, maar juist op vooruit. De twee eigenschappen die elkaar normaal in de weg zitten, verbeterden zo samen.
De onderzoekers drukken het resultaat uit in de vermogensfactor: een maat voor hoeveel elektrisch vermogen een materiaal uit een temperatuurverschil kan halen. Die werd ongeveer 250 keer zo hoog als bij chroomnitride zonder titanium. Volgens het team is dat even goed als of beter dan bij lagen die wél bij hoge temperatuur zijn gemaakt.
Een eerste werkende generator
Om te laten zien dat het ook in een apparaat werkt, bouwde het team een kleine proefgenerator: een strookje van het nieuwe materiaal op een glasplaatje. Met de ene kant 96 graden warmer dan de andere leverde dat maximaal 455,8 nanowatt, bijna een half miljoenste watt.
Dat is weinig, maar het strookje is dan ook flinterdun. Omgerekend naar de doorsnede van de laag doet het volgens de onderzoekers niet onder voor bestaande dunne thermo-elektrische lagen die bij hoge temperatuur worden gemaakt. Bij grotere temperatuurverschillen zou het die zelfs overtreffen. De universiteit noemt het de eerste keer dat een dunne laag van een stikstofverbinding als thermo-elektrische stroomgenerator werkt.
Een tweede proefmodel combineerde de nieuwe laag met een chroomnitridelaag van een ander soort, die de spanning in de omgekeerde richting opbouwt. Zo tellen de spanningen van beide stroken op. Bij een temperatuurverschil van 97 graden gaf dat 180 millivolt. Dit model leverde wel minder vermogen, omdat die tweede laag nog minder goed werkt dan de nieuwe laag met titanium.
Die tweede laag verbeteren is dan ook de volgende stap. Daarnaast wil het team de lagen maken en testen op buigzaam materiaal, op weg naar buigzame thermo-elektrische apparaten.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Veel van de energie die we gebruiken, gaat uiteindelijk verloren als warmte. Materialen die daar zonder bewegende delen weer stroom van maken, zijn daarom een mooie belofte voor een zuinigere toekomst. Dit onderzoek haalt een bekende hindernis weg: een goede thermo-elektrische laag van dit materiaal hoeft niet meer bij hoge temperatuur te worden gemaakt.
Omdat het laagje bij kamertemperatuur kan worden aangebracht, kan het in principe meegaan op plastic en in kleine elektronische onderdelen. Op termijn zouden zulke laagjes bijvoorbeeld kleine sensoren kunnen voeden met warmte die nu verloren gaat. Daarvoor moet eerst de tweede laag beter worden en moeten de proeven op buigzaam materiaal slagen. Daar gaat het team nu mee verder.
