Du vandrer til en undvigende campingplads, pakke fyldt med nok udstyr til at holde dig tilfreds med en tre-dages retræte væk fra kaotisk byliv. Men når du er klar til at rejse, er du klar over, at ikke kun din mobiltelefon er død, dens batteri er brugt efter at have søgt efter et signal hele tiden, hvor du har ruet det, men du kan ikke helt huske, hvor du vandrede ind, hvilket betyder, at GPS'en på din telefon er din livline tilbage til virkeligheden. Heldigvis, på grund af et nyt materiale, der er indbygget i din kogepande, er alt hvad du behøver at gøre at tænde potten, varme op vandet inde og sæt din telefon i porten, der er tilsluttet den. Om kun få timer oplades din telefon, og du kan trygt komme tilbage til din lastbil parkeret ved sporet.
Forskere ved University of Utah opdagede for nylig, at det ikke-giftige materiale, der består af tre kemiske elementer - calcium, cobalt og terbium - genererer termoelektrisk energi fra spildvarme. Ved at sandwich Ca3Co4Og mellem et varmt lag, f.eks. En kogekande, og et koldt lag, som mad eller vand i gryden, bevæger ladningen fra den varme ende sig gennem den kolde ende og frembringer en elektrisk spænding.
Energien genereres gennem en termoelektrisk proces ved hjælp af temperaturforskelle. I dette tilfælde siger materialevidenskab og teknik efter forsker Shrikant Saini, selv en grad af temperaturforskel producerer en detekterbar spænding.
"I termoelektriske materialer, når den ene ende af materialet er varmt og den anden ende er koldt, bevæger ladningsbærere fra den varme ende sig gennem materialet til den kolde ende og genererer en elektrisk spænding, " siger Saini, hovedforfatter på papiret for nylig offentliggjort i videnskabelige rapporter . "Et par milligram af dette materiale vil give nogenlunde en mikrobølgeovn af elektricitet."
Fordi materialet er en sådan ny opdagelse, siger Saini, at de er i midten af at analysere de nøjagtige gram til wattmåling; deres grove estimat viser imidlertid, at for en watt strøm, der skal genereres, har de brug for omkring fem gram af materialet.
I denne grafik kan varmen fra en varm komfur kombineret med det køligere vand eller mad i en kogepande generere nok elektricitet til at oplade en mobiltelefon. (Ashutosh Tiwari) Et gammelt ordsprog advarer os om at ”ikke spilder, ikke vil.” Men spild - energispild - er vanskeligt at fange. I USA går næsten halvdelen af vores energi tabt på grund af ineffektivitet, og størstedelen af vores energi genereres stadig fra ikke-vedvarende olie, naturgas og kul. I henhold til et amerikansk energikort, der er samlet af Lawrence Livermore National Laboratory, af de 97, 4 kvadrillioner britiske termiske enheder (eller quads) af råenergi, der blev genereret i 2013 fra sol, nukleare, hydro, vind, geotermisk, naturgas, kul, biomasse og petroleum, blev kun 38, 4 quads faktisk brugt. Det betyder, at 59 quads blev spildt. At finde en måde at indsamle og bruge denne spildte energi kan give en bæredygtig ressource for fremtiden.
"Spildvarme er faktisk et stort set overset, men alligevel stort reservoir med mulig energi, " siger Jeffrey Urban, direktør for uorganisk anlæg ved Molecular Foundry i Berkeley Labs. "Termoelektrik er en lovende vej til udnyttelse og drager fordel af denne ressource - de konverterer direkte varme til elektricitet uden bevægelige dele, arbejdsvæsker eller anden mekanisk kompleksitet."
Urban bemærker, at effektivitet, omkostninger til materialer og let implementering er alle vigtige tekniske overvejelser, tilføjer, "På grund af den komplekse transportfysik har termoelektrik en tendens til at fungere optimalt ved kun en bestemt temperatur."
Tidligere termoelektriske materiales sammensætninger bestod af cadmium, tellurid eller kviksølv - elementer, der alle var giftige for mennesker og ifølge Sainis forskning ikke så stabile som Ca3Co4Og-kombinationen. Tidligere termoelektriske materialer var ikke skalerbare, fordi de var afledt fra fremstilling eller fremstilling af enkeltkrystaller, hvilket er både dyrt og udfordrende. Sainis kemiske kombination muliggør i stor skala anvendelse af denne termoelektriske teknologi, fordi kemikalierne let er tilgængelige til blanding og kogning for at udlede det ikke-giftige materiale, hvilket gør det lettere at fremstille i større partier. Dette gør opdagelsen til en mulig spiludveksler.
”Vi forventer mange anvendelser af dette materiale, ” siger Saini. University of Utah har ansøgt om et patent. Saini er ikke i stand til at afsløre nogle specifikke detaljer, men tilføjer, at det nyfundne materiale kunne bruges i smykker, kogegryder og biler - eller endda have fremtidige medicinske applikationer.
Termoelektricitet - eller elektricitet produceret gennem temperaturforskelle - stammer fra 1821, da Thomas Seebeck og Jean Peltier opdagede omdannelsen af varme til elektricitet. Tre årtier senere i 1851 opdagede William Thomson (også kendt som Lord Kelvin), at kørsel af en elektrisk strøm gennem et materiale kan varme eller afkøle det, afhængigt af hvordan elektronerne diffunderes. Siden da har feltet fortsat udviklet sig, når forskere arbejder for at bringe termoelektrisk til en skalerbar teknologi.
Joshua Zide, lektor i materialevidenskab og teknik ved University of Delaware, studerer sjældne jordartselementer, især terbium, som er en del af den kemiske elementkombination til Sainis opdagelse. Han siger, at terbium ikke nødvendigvis er så rigeligt, som forskerne antyder, skønt den mængde, der anvendes inden for den kemiske sammensætning, kan gøre store mængder til et stykke punkt.
”[Terbium] er faktisk langt mere almindeligt end tellur, der ofte bruges i termoelektrisk, men faktisk er noget sjældent, ” siger Zide. ”Dette har resulteret i store prisstigninger i de senere år, da efterspørgslen er steget til både termoelektriske og CdTe solceller [fotovoltaiske solceller fra cadmium tellurid - de næst mest almindelige på markedet].”
Saini siger, at det tog næsten ti år at udbrede denne termoelektriske teknologi, idet det oprindelige mål var at skabe et effektivt materiale, før teamet tilføjede biovenlige til dets endelige krav. Når produktet er patenteret, ønsker de at introducere det kommercielt. ”På dette tidspunkt kan vi kun sige, at der i biler er meget spildvarme, som kan bruges til at konvertere til elektricitet, ” siger Saini.
Fremtiden for termoelektrisk energi er lovende, især med denne nye opdagelse. Art Gossard, professor emeritus i materialer og elektroteknik og computerteknik ved University of California-Santa Barbara, mener, at den nye teknologi kan have fremtidige anvendelser inden for militær fremgang, især det altelektriske skib.
”Du kan bruge varmen, der kom fra dine kedler og reaktorer, til at generere elektricitet, der derefter ville køre elmotoren og skubbe det elektriske skib, ” siger Gossard. ”Dette skib ville have fordelen ved ikke at efterlade en blæse varmt vand bagud, hvilket gør det lettere at spore. Men det kræver megawatt kraft, og termoelektrisk er ikke opskaleret i det omfang endnu. ”
Med dette materiale kommer vi måske der.
