Je wandelt naar een ongrijpbare kampeerplek, vol met spullen om je tevreden te houden voor een driedaags toevluchtsoord weg van het chaotische stadsleven. Maar wanneer je klaar bent om te vertrekken, realiseer je je niet alleen dat je mobiele telefoon leeg is, de batterij leeg is na het zoeken naar een signaal de hele tijd dat je het ruw hebt gemaakt, maar je kunt je niet helemaal herinneren waar je bent binnengewandeld, die betekent dat de GPS op je telefoon je levenslijn is terug naar de realiteit. Gelukkig is het enige dat u hoeft te doen, omdat er nieuw materiaal in uw kookpot is ingebouwd, de pot aan te zetten, het water van binnen te verwarmen en uw telefoon aan te sluiten op de poort die erop is aangesloten. In slechts een paar uur wordt je telefoon opgeladen en kun je veilig terug naar je vrachtwagen geparkeerd aan de trailhead.
Onderzoekers van de Universiteit van Utah ontdekten onlangs dat het niet-giftige materiaal dat bestaat uit drie chemische elementen - calcium, kobalt en terbium - thermo-elektrische energie genereert uit afvalwarmte. Door de Ca3Co4Og te sandwichen tussen een laag die heet is, zoals een kookpot, en een laag die koud is, zoals het voedsel of water in de pot, beweegt de lading van het hete uiteinde door het koude uiteinde en produceert een elektrische spanning.
De energie wordt gegenereerd door een thermo-elektrisch proces met behulp van temperatuurverschillen. In dit geval zegt post-doc onderzoeker Shrikant Saini, materiaalkunde en engineering, dat zelfs één graad van temperatuurverschil een detecteerbare spanning produceert.
"In thermo-elektrische materialen, wanneer het ene uiteinde van het materiaal heet is en het andere uiteinde koud, bewegen ladingsdragers van het hete uiteinde door het materiaal naar het koude uiteinde, waardoor een elektrische spanning wordt gegenereerd", zegt Saini, hoofdauteur op papier gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten . "Een paar milligram van dit materiaal levert ongeveer een microwatt elektriciteit."
Omdat het materiaal zo'n nieuwe ontdekking is, zegt Saini dat ze bezig zijn met het analyseren van de exacte gram- tot wattmeting; hun ruwe schatting laat echter zien dat ze voor één watt vermogen ongeveer vijf gram van het materiaal nodig hebben.
In deze afbeelding kan de warmte van een heet fornuis, in combinatie met het koelere water of voedsel in een kookpot, voldoende elektriciteit genereren om een mobiele telefoon op te laden. (Ashutosh Tiwari) Een oud gezegde waarschuwt ons om 'niet te verspillen, niet te willen'. Maar verspilling - energieverspilling - is lastig vast te leggen. In de VS gaat bijna de helft van onze energie verloren door inefficiëntie en het grootste deel van onze energie wordt nog steeds gegenereerd uit niet-hernieuwbare aardolie, aardgas en steenkool. Volgens een Amerikaanse energiekaart samengesteld door het Lawrence Livermore National Laboratory, van de 97.4 quadrillion Britse thermische eenheden (of quads) van ruwe energie gegenereerd in 2013 uit zonne-energie, nucleair, hydro, wind, geothermisch, aardgas, steenkool, biomassa en aardolie werden slechts 38.4 quads daadwerkelijk gebruikt. Dat betekent dat 59 quads werden verspild. Het vinden van een manier om deze verspilde energie te verzamelen en te gebruiken, zou een duurzame bron voor de toekomst kunnen bieden.
"Afvalwarmte is inderdaad een grotendeels over het hoofd gezien, maar toch enorm reservoir van mogelijke energie, " zegt Jeffrey Urban, directeur van de anorganische faciliteit bij de Molecular Foundry bij Berkeley Labs. "Thermo-elektronica is een veelbelovende manier om gebruik te maken van deze hulpbron - ze zetten warmte direct om in elektriciteit zonder bewegende delen, werkvloeistoffen of andere mechanische complexiteit."
Urban merkt op dat efficiëntie, materiaalkosten en implementatiegemak alle belangrijke technische overwegingen zijn, en voegt eraan toe: "Vanwege de complexe transportfysica werken thermo-elektrische systemen meestal optimaal bij slechts één bepaalde temperatuur."
Eerdere thermo-elektrische materiaalsamenstellingen waren samengesteld uit cadmium, telluride of kwik - elementen die allemaal giftig waren voor de mens en volgens het onderzoek van Saini niet zo stabiel als de Ca3Co4Og-combinatie. Ook waren eerdere thermo-elektrische materialen niet schaalbaar omdat ze waren afgeleid van het vervaardigen of fabriceren van afzonderlijke kristallen, wat zowel duur als uitdagend is. De chemische combinatie van Saini kan deze grootschalige toepassing van deze thermo-elektrische technologie mogelijk maken, omdat de chemicaliën direct beschikbaar zijn om te mengen en te koken om het niet-toxische materiaal af te leiden, waardoor het gemakkelijker is om in grotere partijen te produceren. Dit maakt de ontdekking een mogelijke spelwisselaar.
"We verwachten veel toepassingen van dit materiaal", zegt Saini. De Universiteit van Utah heeft een patent aangevraagd. Saini kan sommige specifieke details niet onthullen, maar voegt eraan toe dat het nieuwe materiaal kan worden gebruikt in sieraden, kookpotten en auto's - of zelfs toekomstige medische toepassingen kan hebben.
Thermo-elektriciteit - of elektriciteit geproduceerd door temperatuurverschillen - ontstond in 1821 toen Thomas Seebeck en Jean Peltier de omzetting van warmte in elektriciteit ontdekten. Drie decennia later in 1851 ontdekte William Thomson (ook bekend als Lord Kelvin) dat een elektrische stroom door een materiaal leiden kan verwarmen of koelen, afhankelijk van hoe de elektronen worden verspreid. Sindsdien is het veld blijven evolueren terwijl wetenschappers werken om thermo-elektrisch tot een schaalbare technologie te brengen.
Joshua Zide, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan de Universiteit van Delaware, bestudeert zeldzame aardelementen, met name terbium, dat deel uitmaakt van de chemische elementencombinatie voor de ontdekking van Saini. Hij zegt dat terbium niet noodzakelijkerwijs zo overvloedig is als de onderzoekers suggereren, hoewel de hoeveelheid die in de chemische samenstelling wordt gebruikt, grote hoeveelheden een punt van discussie kan maken.
"[Terbium] is in feite veel gebruikelijker dan tellurium, dat vaak wordt gebruikt in thermo-elektrisch materiaal, maar eigenlijk enigszins zeldzaam is", zegt Zide. "Dit heeft de afgelopen jaren geleid tot grote prijsstijgingen omdat de vraag is gestegen naar zowel thermo-elektrische als CdTe-zonne-energie [cadmium telluride fotovoltaïsche zonnecellen - de tweede meest voorkomende op de markt]."
Saini zegt dat het bijna tien jaar heeft geduurd voordat deze thermo-elektrische technologie tot stand kwam, met het oorspronkelijke doel om een efficiënt materiaal te maken voordat het team bio-vriendelijk werd toegevoegd aan zijn uiteindelijke vereisten. Zodra het product gepatenteerd is, willen ze het commercieel introduceren. "Op dit moment kunnen we alleen zeggen dat er in auto's veel restwarmte is, die kan worden gebruikt om in elektriciteit om te zetten", zegt Saini.
De toekomst van thermo-elektrische energie is veelbelovend, vooral met deze nieuwe ontdekking. Art Gossard, emeritus hoogleraar materialen en elektrotechniek en computertechniek aan de Universiteit van Californië-Santa Barbara, gelooft dat de nieuwe technologie toekomstige toepassingen zou kunnen hebben in militaire vooruitgang, met name het volledig elektrische schip.
"Je zou de warmte van je ketels en reactoren kunnen gebruiken om elektriciteit op te wekken die vervolgens de elektromotor aandrijft en het elektrische schip duwt", zegt Gossard. “Dit schip zou het voordeel hebben dat het geen pluim heet water achterlaat, waardoor het gemakkelijker te volgen is. Maar het zou megawatt vermogen vereisen, en thermo-elektrisch is nog niet zover opgeschaald. "
Met dit materiaal zullen we misschien daar komen.
