Umwandlung von Abwärme in saubere Energie
Forscher nutzen Supercomputer, um neue Materialien für die thermoelektrische Erzeugung zu erforschen
Spüren Sie die Wärme, die von Ihrem Computer oder Handy kommt? Das ist verschwendete Energie, die vom Gerät ausgeht. Bei Automobilen wird geschätzt, dass 60% der Kraftstoffeffizienz durch Abwärme verloren gehen. Ist es möglich, diese Energie zu erfassen und in Strom umzuwandeln?
Neue Nanomaterialien können in der Lage sein, Abwärme in nutzbaren Strom für Fahrzeuge und andere Systeme umzuwandeln. Forscher der University of Texas Permian Basin verwenden Supercomputer bei TACC, um die optimale Konfiguration der Materialien für den Einsatz zu finden.
Ruben de Rijcke, Creative Commons
Forscher, die im Bereich der thermoelektrischen Stromerzeugung arbeiten, beantworten die Frage mit "ja". Aber ob es kostengünstig möglich ist, bleibt eine Frage.
Vorerst sind thermoelektrische Generatoren eine Seltenheit, die vor allem in Nischenanwendungen wie Raumsonden eingesetzt werden, wo eine Betankung nicht möglich ist. Thermoelektrizität ist ein aktives Forschungsgebiet, insbesondere bei Automobilunternehmen wie BMW und Audi. Bislang haben sich die Kosten für die Umwandlung von Wärme in Strom jedoch als teurer erwiesen als der Strom selbst.
Anveeksh Koneru, Senior Dozent für Maschinenbau an der University of Texas Permian Basin (UTPB), erforscht ein neues Verfahren zur Abwärmenutzung durch Nutzung der quantenmechanischen Bewegungen von Elektronen in spinpolarisierten Materialien.
In der Teilchenphysik ist Spin eine intrinsische Form des Drehimpulses, die von Elementarteilchen, Verbundteilchen (Hadronen) und Atomkernen getragen wird. Durch einen Mechanismus, der als Spin-Hall-Effekt bekannt ist, wurde gezeigt, dass eine Spannung erzeugt werden kann, indem Unterschiede in den Spinpopulationen auf einem Metallkontakt, der auf einem ferromagnetischen Material befestigt ist, genutzt werden. Die Idee, die 2008 erstmals von japanischen Forschern experimentell demonstriert wurde, hat sich für eine Weile die Materialwissenschaft beschäftigt, muss aber noch ihre optimale Form finden.
Koneru glaubt, dass er mit Kobaltoxid das richtige Material gefunden haben könnte, um den Effekt für die Energieerzeugung zu nutzen. Als eine anorganische Verbindung, die in der Keramikindustrie zur Herstellung von blau gefärbten Glasuren verwendet wird, und in der Wassertrenntechnik genutzt wird, besitzen Kobaltoxide die einzigartige Fähigkeit, alternative Übergangsmetallkationen einzubauen, wodurch sie mit Nickel, Kupfer, Mangan oder Zink vermischt werden können. Diese Metalle haben magnetische Eigenschaften, die die Trennung zwischen den auf und ab rotierenden Elektronen erhöhen und die Umwandlung von Wärme in Strom verbessern können.
"Das Material sollte ein guter elektrischer Leiter sein, aber ein schlechter Wärmeleiter. Es sollte Elektronen leiten, aber keine Phononen, die Wärme sind", sagte Koneru. "Um dies experimentell zu untersuchen, müssten wir Tausende von verschiedenen Materialkombinationen herstellen. Stattdessen versuchen wir theoretisch zu berechnen, wie die optimale Konfiguration des Materials durch Substitutionen aussieht."
Seit 2018 nutzt Koneru im Texas Advanced Computing Center (TACC) Supercomputer, um die Energieprofile einer Vielzahl von Kobaltoxiden mit verschiedenen Substitutionen virtuell zu testen.
"Jede Kalibrierung dauert 30 bis 40 Stunden Rechenzeit, und wir müssen mindestens 1.000 bis 1.500 verschiedene Konfigurationen untersuchen", erklärte er. "Es erfordert eine riesige Rechenanlage und das ist es, was TACC bietet."
Koneru präsentierte zusammen mit den UTPB-Absolventen Gustavo Damis Resende, Nolan Hines, und einem Mitarbeiter der West Virginia University, Terence Musho, am 22. April auf dem Frühjahrstreffen der Materials Research Society in Phoenix, Arizona, erste Ergebnisse zur thermoelektrischen Kapazität von Kobaltoxiden.
Die Forscher untersuchten 56-Atom-Einheitszellen aus drei Konfigurationen von Kobaltoxid, die durch Substitution von Nickel und Zink abgestimmt wurden, um eine optimale thermoelektrische Leistung zu erreichen. Sie verwendeten ein Softwarepaket namens Quantum ESPRESSO, um die physikalischen Eigenschaften für jede Konfiguration zu berechnen. Dazu gehören:
- die Bandlücke: die minimale Energie, die benötigt wird, um ein Elektron in einen Zustand zu erregen, in dem es Energie leitet;
- der Gitterparameter: die physikalischen Abmessungen der Zellen in einem Kristallgitter;
- die effektive Masse der Leitungselektronen: die Masse, die ein Teilchen beim Ansprechen auf Kraft zu haben scheint;
- und die Spinpolarisation: der Grad, in dem der Spin mit einer gegebenen Richtung ausgerichtet ist.
Mit diesen grundlegenden Eigenschaften wurden dann konventionelle Ladungs- und Spin-Transportberechnungen durchgeführt, die den Forschern zeigen, wie gut eine Konfiguration des Kobaltoxids Wärme in Strom umwandeln kann.
Nach Ansicht der Forscher kann die in dieser Forschung entwickelte Methode auf andere interessante thermoelektrische Materialien mit halbleitenden und magnetischen Eigenschaften angewendet werden, was sie für die Materialwissenschaft von großem Nutzen macht.
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