print logo

Temperaturforskjeller blir til strøm

Over halvparten av all energien i verden går tapt i unyttig spillvarme. Nå kan mye av dette varmetapet omdannes til strøm.

VARMT OG KALDT VANN: Ole Martin Løvvik demonstrerer termoelektrisitet med ett glass kaldt og ett glass varmt vann. Den nye teknologien utnytter temperaturforskjellen og gir energi til en hurtig roterende vifte. Foto: Yngve Vogt

Mer enn halvparten av dagens energiforbruk sløses bort i unyttig spillvarme, slik som varmen fra kjøleskap og alskens duppeditter og fra fabrikker og kraftverk. Energitapet er enda større i biler. Bilmotorer klarer bare å utnytte 30 prosent av energien. Resten går tapt. Deler av varmetapet ender opp som varme bremser og varme eksosrør.

Forskere på Senter for materialvitenskap og nanoteknologi ved Universitetet i Oslo samarbeider nå med SINTEF for å utvikle en ny og miljøvennlig teknologi, kalt termoelektrisitet, som kan omdanne spillvarme til strøm. Kort fortalt går teknologien ut på å utnytte temperaturforskjeller.

I dag: Giftig og dyrt.

Termoelektriske materialer er mye brukt i romfart. Når en romsonde kommer langt nok vekk fra solen, virker ikke solcellene lenger. Batterier har for kort levetid. Man kan ikke bruke kjernekraft. En klump plutonium gjør susen. Det er tusen grader varmt. Verdensrommet er kaldt. Takket være temperaturforskjellen får romsonden nok strøm.

Plutonium er en grei løsning for romsonder som ikke skal tilbake til Jorda. Men løsningen er ikke like praktisk i biler og i andre jordiske gjenstander.

Termoelektriske materialer i dag brukes også i den typen kjølebager som holder seg kalde uten at man selv må legge i egne fryseelementer. Disse kjølebagene er fulle av grunnstoffene bly og tellur. Begge stoffene er giftige.

– Vi vil erstatte dem med billige og lett tilgjengelige stoffer. Dessuten fins det ikke nok tellur til alle bilene i verden, forteller Ole Martin Løvvik, som både er førsteamanuensis på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo og seniorforsker på SINTEF.

I morgen: Miljøvennlig og billig.

Med dagens teknologi er det mulig å gjenvinne knapt ti prosent av den tapte energien. Sammen med forskerteamet, under ledelse av professor Johan Taftø , leter Løvvik nå etter forurensningsfrie og billige materialer som kan gjenvinne 15 prosent av alt energitap. Det er en forbedring på hele 50 prosent.

– Jeg tror vi skal greie å løse dette med nanoteknologi. Teknologien er enkel og fleksibel og er nesten for god til å være sann. På lang sikt kan teknologien utnytte alle varmekilder, slik som solenergi og geovarme. Bare fantasien setter grenser, mener Løvvik.

Den nye teknologien vil i første runde tas i bruk i termoelektriske strømanlegg i biler. Flere store bilfabrikanter er allerede interessert. Løvvik og kollegaene hans diskuterer nå med General Motors.

– Moderne biler trenger mye strøm. Ved å dekke eksosanlegget med termoelektriske plater kan varmen fra eksosanlegget, med en jafs, øke effektiviteten i bilen med nesten ti prosent. Hvis vi lykkes, er dette en revolusjon for moderne bilindustri.

Den nye teknologien kan også erstatte dagens durende kjøleskap.

– I fremtiden kan kjøleskap bli lydløse og bygges inn i skap, uten bevegelige deler, med muligheter for ulike temperaturer i hver boks.

For å få ut mest mulig energi, bør temperaturforskjellen være så stor som mulig.

– I første omgang ønsker vi derfor å utnytte spillvarme med høy temperatur. Men det er også en øvre begrensning. Hvis det blir for varmt, bryter noen materialer sammen, enten ved at de smelter eller omdannes til andre materialer. Da virker de ikke lenger.

Tilsynelatende selvmotsigende.

For å lage termoelektriske materialer må fysikerne løse et tilsynelatende paradoks. Et metall leder både strøm og varme. En isolator leder verken strøm eller varme. Et godt termoelektrisk materiale bør være en halvleder med helt spesielle egenskaper: Varmemotstanden må være så høy som mulig, samtidig som strømmen skal gli lett igjennom.

– Denne kombinasjonen er ikke enkel og høres kanskje ut som en selvmotsigelse. Den beste løsningen er å lage små strukturer som reflekterer varmebølgene, samtidig som strømmen ikke reflekteres.

For å forstå hvorfor, må du forstå hvordan varme sprer seg. Når et materiale blir varmt, vibrerer atomene. Jo varmere, desto større vibrasjoner. Og når et atom vibrerer, vil det også påvirke vibrasjonen til naboatomet.

Når disse vibrasjonene spres gjennom materialet, kan de kalles for varmebølger. Hvis man lager hindringer i materialet, slik at noen atomer vibrerer med andre frekvenser enn naboatomene, spres ikke varmen så lett.

– Atombarrieren må dessuten lages slik at den ikke hindrer elektronstrømmen i å gå igjennom.

Kverner nanohull i 196 minus.

Forskerne har funnet en metode for å lage disse atomhindringene. Hindringene legges tett i tett i de spesielle halvlederne.

– Vi har klart dette ved å bruke en helt ny “mølle”.

Akkurat som mølleren maler korn, kverner forskerne ned halvledere til nanosmå korn. Det gjør de ved å kjøle dem ned med flytende nitrogen i minus 196 grader. Da blir materialet sprøere, mindre klebrig og lettere å knuse. Det er om å gjøre å lage kornene så små som mulig. Etterpå limes kornene sammen igjen, og slik lager de hindringene.

– De små ujevnhetene i hindringene reflekterer varmebølgene, forteller Løvvik.

For å undersøke mikrostrukturene i materialet, bruker forskergruppen et elektronmikroskop.

– Vi har nå oppdaget nye nanohulrom i materialene og hvordan de reflekterer varmebølger.

Varmemotstanden blir målt på Mikro- og nanoteknologilaboratoriet, som drives av UiO og SINTEF i fellesskap. Spesialet til Løvvik er matematiske modeller. Med modellene kan han forutsi hvordan atomene bør ordnes i materialene.

Renessanse for kobolt.

Forskerne leter nå etter neste generasjons termoelektriske materialer. De har nettopp testet ut det koboltholdige mineralet skutteruditt, som fins på Skutterud ved Blåfarveværket i Modum.

– Det ble ganske nylig oppdaget at skutteruditt kan ha atomer plassert i små nanohull. Disse hullene virker som barrierer på varmespredningen, avslutter Løvvik.

Termoelektriske materialer utnytter temperaturforskjeller.

Varmemotstanden må være så høy som mulig, samtidig som strømmen må gli lett igjennom.

UiO forsker på miljøvennlige og billige, termoelektriske materialer som kan gjenvinne 15 prosent av alt energitap.

Bilindustrien er allerede interessert.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Fysikk Av Yngve Vogt
Publisert 8. nov. 2011 00:00