Sie wandern zu einem schwer fassbaren Campingplatz, der mit genügend Ausrüstung gefüllt ist, um Sie für einen dreitägigen Rückzugsort fern vom chaotischen Leben in der Stadt zufrieden zu halten. Aber wenn Sie bereit sind zu gehen, werden Sie feststellen, dass nicht nur Ihr Handy gestorben ist, sondern auch die Batterie, die Sie verbraucht haben, nachdem Sie die ganze Zeit über nach einem Signal gesucht haben bedeutet, dass das GPS auf Ihrem Telefon Ihre Lebensader ist, um die Realität wiederherzustellen. Glücklicherweise brauchen Sie aufgrund eines neuen Materials in Ihrem Kochtopf nur den Topf einzuschalten, das Wasser im Inneren zu erwärmen und Ihr Telefon an den damit verbundenen Anschluss anzuschließen. In nur wenigen Stunden ist Ihr Telefon aufgeladen und Sie können sicher zu Ihrem am Ausgangspunkt geparkten LKW zurückkehren.
Forscher der Universität von Utah haben kürzlich entdeckt, dass das ungiftige Material aus drei chemischen Elementen - Calcium, Kobalt und Terbium - aus Abwärme thermoelektrische Energie erzeugt. Indem das Ca3Co4Og zwischen einer heißen Schicht, wie einem Kochtopf, und einer kalten Schicht, wie dem Essen oder Wasser im Topf, eingelegt wird, fließt die Ladung vom heißen Ende durch das kalte Ende und erzeugt eine elektrische Spannung.
Die Energie wird durch einen thermoelektrischen Prozess unter Verwendung von Temperaturunterschieden erzeugt. In diesem Fall, so Shrikant Saini, Post-Doc-Forscher für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, erzeugt bereits ein Grad an Temperaturdifferenz eine nachweisbare Spannung.
„Bei thermoelektrischen Materialien wandern Ladungsträger, wenn ein Ende des Materials heiß und das andere Ende kalt ist, vom heißen Ende durch das Material zum kalten Ende und erzeugen eine elektrische Spannung“, sagt Saini, führender Autor auf dem Papier veröffentlicht in Scientific Reports . "Ein paar Milligramm dieses Materials werden ungefähr ein Mikrowatt Strom liefern."
Da das Material eine so neue Entdeckung ist, sagt Saini, dass sie gerade dabei sind, die exakten Maße von Gramm zu Watt zu analysieren. Ihre grobe Schätzung zeigt jedoch, dass für die Erzeugung eines Watt Stroms etwa fünf Gramm des Materials benötigt werden.
In dieser Grafik könnte die Wärme eines heißen Ofens in Verbindung mit dem kühleren Wasser oder Essen in einem Kochtopf genügend Strom erzeugen, um ein Mobiltelefon aufzuladen. (Ashutosh Tiwari) Ein altes Sprichwort warnt uns davor, "nicht zu verschwenden, nicht zu wollen". Aber Verschwendung - Energieverschwendung - ist schwierig zu erfassen. In den USA geht fast die Hälfte unserer Energie aufgrund von Ineffizienz verloren, und der größte Teil unserer Energie wird nach wie vor aus nicht erneuerbarem Erdöl, Erdgas und Kohle gewonnen. Laut einer US-amerikanischen Energiedarstellung des Lawrence Livermore National Laboratory wurden im Jahr 2013 97, 4 Billionen britische Wärmeeinheiten (oder Quads) aus Sonnen-, Kern-, Wasser-, Wind-, Geothermie-, Erdgas-, Kohle-, Biomasse- und Erdöl-Energie gewonnen wurden tatsächlich nur 38, 4 Quads eingesetzt. Das heißt, 59 Quads wurden verschwendet. Die Suche nach einer Möglichkeit, diese verschwendete Energie zu sammeln und zu nutzen, könnte eine nachhaltige Ressource für die Zukunft darstellen.
"Abwärme ist in der Tat ein weitgehend übersehenes und dennoch riesiges Reservoir an möglicher Energie", sagt Jeffrey Urban, Direktor einer anorganischen Anlage in der Molecular Foundry der Berkeley Labs. "Thermoelektrik ist ein vielversprechender Weg, um diese Ressource zu nutzen. Sie wandelt Wärme direkt in Elektrizität um, ohne bewegliche Teile, Arbeitsflüssigkeiten oder sonstige mechanische Komplexität."
Urban merkt an, dass Effizienz, Materialkosten und einfache Implementierung wichtige technische Überlegungen sind, und fügt hinzu: „Aufgrund der komplexen Transportphysik arbeitet die Thermoelektrik in der Regel nur bei einer bestimmten Temperatur optimal.“
Frühere thermoelektrische Materialzusammensetzungen bestanden aus Cadmium, Tellurid oder Quecksilber - Elementen, die alle für den Menschen toxisch waren und laut Sainis Untersuchungen nicht so stabil waren wie die Ca3Co4Og-Kombination. Auch waren bisherige thermoelektrische Materialien nicht skalierbar, da sie aus der Herstellung oder Herstellung von Einkristallen stammten, was sowohl teuer als auch herausfordernd ist. Die chemische Kombination von Saini kann die großtechnische Anwendung dieser thermoelektrischen Technologie ermöglichen, da die Chemikalien leicht zu mischen und zu kochen sind, um das ungiftige Material abzuleiten, was die Herstellung in größeren Chargen erleichtert. Dies macht die Entdeckung zu einem möglichen Game Changer.
„Wir erwarten viele Anwendungen dieses Materials“, sagt Saini. Die University of Utah hat ein Patent angemeldet. Saini ist nicht in der Lage, bestimmte Details zu enthüllen, fügt jedoch hinzu, dass das neu entdeckte Material für Schmuck, Kochtöpfe und Automobile verwendet werden könnte - oder sogar für zukünftige medizinische Anwendungen.
Thermoelektrizität - oder durch Temperaturunterschiede erzeugte Elektrizität - entstand 1821, als Thomas Seebeck und Jean Peltier die Umwandlung von Wärme in Elektrizität entdeckten. Drei Jahrzehnte später, im Jahr 1851, entdeckte William Thomson (auch als Lord Kelvin bekannt), dass ein elektrischer Strom durch ein Material fließen kann, je nachdem, wie die Elektronen diffundieren. Seitdem hat sich das Feld stetig weiterentwickelt, da Wissenschaftler daran arbeiten, die Thermoelektrik auf eine skalierbare Technologie umzustellen.
Joshua Zide, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und Werkstofftechnik an der Universität von Delaware, untersucht Seltenerdelemente, insbesondere Terbium, das Teil der chemischen Elementkombination für Sainis Entdeckung ist. Er sagt, dass Terbium nicht unbedingt so häufig vorkommt, wie die Forscher vermuten, obwohl die Menge, die in der chemischen Zusammensetzung verwendet wird, große Mengen zu einem strittigen Punkt machen kann.
"[Terbium] ist in der Tat weitaus häufiger als Tellur, das üblicherweise in der Thermoelektrik verwendet wird, aber tatsächlich eher selten ist", sagt Zide. "Dies hat in den letzten Jahren zu starken Preiserhöhungen geführt, da die Nachfrage nach thermoelektrischen und CdTe-Solarzellen [photovoltaischen Cadmiumtellurid-Solarzellen - die zweithäufigsten auf dem Markt] gestiegen ist."
Laut Saini dauerte es fast zehn Jahre, bis diese thermoelektrische Technologie zum Einsatz kam. Zunächst sollte ein effizientes Material hergestellt werden, bevor das Team seine endgültigen Anforderungen um eine umweltfreundliche Technologie ergänzt. Sobald das Produkt patentiert ist, möchten sie es kommerziell einführen. „Wir können an dieser Stelle nur sagen, dass in Autos viel Abwärme steckt, die zur Umwandlung in Elektrizität genutzt werden kann“, sagt Saini.
Die Zukunft der thermoelektrischen Energie ist besonders mit dieser neuen Entdeckung vielversprechend. Art Gossard, emeritierter Professor für Material-, Elektro- und Computertechnik an der University of California in Santa Barbara, glaubt, dass die neue Technologie künftige Anwendungen für den militärischen Fortschritt haben könnte, insbesondere für das vollelektrische Schiff.
"Sie könnten die Wärme, die von Ihren Kesseln und Reaktoren kommt, verwenden, um Strom zu erzeugen, der dann den Elektromotor antreibt und das elektrische Schiff antreibt", sagt Gossard. „Dieses Schiff hätte den Vorteil, dass kein heißes Wasser zurückbleibt, was die Verfolgung erleichtert. Aber es würde Megawatt Leistung erfordern, und die thermoelektrische Leistung ist noch nicht in diesem Ausmaß skaliert. “
Mit diesem Material kommen wir vielleicht dorthin.
