211service.com
Kör varmt och kallt
Institutet Professor Mildred S. Dresselhaus vill sätta en ny vändning på en idé från 1800-talet. Forskare har känt till den termoelektriska effekten i nästan 200 år: vissa material genererar en elektrisk spänning när deras temperatur är olika på varje sida. Och när en spänning appliceras på dem värms de upp på ena sidan och blir kallare på den andra. Att tillverka material med dessa egenskaper har dock alltid varit en utmaning: de flesta material som leder elektricitet leder också värme, så deras temperatur utjämnas snabbt. Detta gör dem ineffektiva när det gäller att generera elektricitet och opraktiska för de flesta uppvärmnings- eller kyltillämpningar.
Men Dresselhaus, som forskar om fysik av fasta ämnen i nanoskala, säger att termoelektriska enheter kommer att bli livskraftiga när nya nanostrukturerade material som hon och andra designar i laboratoriet kommersialiseras. Med Gang Chen vid MIT, Zhifeng Ren vid Boston College och Jean-Pierre Fleurial vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory, manipulerar Dresselhaus materialens energitransportegenskaper på nanoskala för att utveckla bra elektriska ledare som är dåliga värmeledare. Genom att arbeta med kompositer gjorda av kompletterande halvledande material som vismuttellurid och kiselgermanium hoppas forskarna kunna skapa termoelektriska material som är dubbelt så effektiva som deras konventionella motsvarigheter.
Befintliga termoelektriska material har redan vissa applikationer, som individuellt temperaturkontrollerade bilsäten som effektivt kan värmas upp när de är kalla eller kylda när de är svettiga. Systemet, tillverkat av ett Michigan-baserat företag, förbättrar bränsleekonomin och komforten: Om du sitter på en sval plats behöver du mindre luftkonditionering, påpekar Dresselhaus. Men ännu bättre skulle vara applikationer som fångar upp spillvärme - säg från en bils avgasrör - och omvandlar den till elektricitet. Vi är alla oroade över hållbar energi, säger hon. Om vi kunde återvinna spillvärme för att generera energi skulle vi kunna använda den till något nyttigt.
Den nuvarande utmaningen är att införliva nanopartiklar i strukturer som är tillräckligt stora för att anslutas till ett system i mänsklig skala. För detta ändamål pressar Dresselhaus kisel- och germaniumnanopartiklar i en form och värmer och kyler dem sedan snabbt i vakuum för att kompaktera dem till staplar i millimeterskala. Genom att klämma ihop små partiklar som skiljer sig i sammansättning och storlek ökar hon ytan i materialet, vilket skapar en hinderbana av interna nanoskala understrukturer som saktar ner värmeöverföringen samtidigt som den låter elektrisk energi glida igenom.
De nya materialen kan hjälpa forskare att bygga kylsystem i mikrochips, ersätta Freon-baserade HVAC-system i fordon, göra bilmotorer mer effektiva och förbättra solcellseffektiviteten genom att utnyttja solvärme såväl som ljus. Om vi hade förbättrade material som kunde produceras billigt och i stora kvantiteter, skulle den termoelektriska industrin definitivt kunna gå framåt snabbare, säger Dresselhaus. Det slutar inte med bilbarnstolar.