Hvis du har d?rlig bredb?nd: Se den samme filmen p? youtube.
Halvparten g?r tapt i spillvarme
Vel halvparten av all energien som brukes i verden i dag, g?r tapt i spillvarme, forteller professor Johan Taft? p? Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.
Sammen med en rekke forskere p? Senter for materialvitenskap og nanoteknologi (SMN) ved UiO utvikler han nye, milj?vennlige materialer som kan gjenvinne den tapte spillvarmen til str?m.
– Vi utnytter temperaturforskjellen mellom den kalde og den varme siden i materialet. Her er det store muligheter til ? hente ut energi som ellers vil g? tapt, forteller f?rsteamanuensis Anette Gunn?s p? SMN.
Jo st?rre temperaturforskjell i materialet, desto mer str?m vil det v?re mulig ? fange opp.
– Mange mener det et mulig ? hente ut str?m fra fire til fem prosent av spillvarmen, men vi sikter enda h?yere, forteller stipendiat Henrik Riis p? SMN.
Telys og isklump driver lekebil
For ? vise hvordan termoelektriske materialer fungerer, demonstrerer Henrik Riis, sammen med postdoktor Matthias Schrade, hvordan en liten, motorisert lekebil henter energien sin fra telys og en isklump.
Mellom telyset og isklumpen har de to forsk-erne plassert et termoelektrisk materiale med samme form som et bankkort. Telyset varmer det opp nedenifra. Isklumpen kj?ler det ned ovenifra. Da dannes det str?m til bilen.
– Vi pr?vde en gang ? erstatte isklumpen med flytende nitrogen. Da raste bilen av g?rde i stor hastighet, ler Matthias Schrade.
Se youtube-video om bilen som drives av telys og isklump
Omvendt av kj?leskap
Prinsippet for ? hente ut str?m fra termoelektriske materialer, er motsatt av teknikken i et kj?leskap.
– Termoelektriske materialer kan brukes over-alt der det er temperaturforskjeller. Dette er allerede kjent teknologi i kj?leskap. Ved ? sende inn str?m blir det kaldere p? innsiden og varmere p? utsiden. Vi snur dette systemet. Vi ?nsker med andre ord ? lage det omvendte av et kj?leskap og hente ut str?mmen, forteller Anette Gunn?s.
Stor interesse
Mange ?nsker den nye teknologien.
– Ett eksempel er industrien. Elkem, Hydro og Yara er interessert i ? gjenvinne spillvarmen, forteller professor Truls Norby p? SMN.
Felles for disse industrigigantene er de sv?rt energikrevende produksjonene deres, med h?ye temperaturer og mye restvarme. Et eksempel er den kraftkrevende produksjonen av aluminium, der smelteovnene varmes opp til 800 grader. Bare kr?kene f?r glede av denne spillvarmen i dag.
En annen mulighet er ? bruke teknologien i biler og skip. I dag forsvinner mye av varmen ut av eksosr?ret og skorsteinen.
Gr?nn energi
Ideen med termoelektriske materialer er ikke ny. Det nye er ? kunne lage dem mer milj?vennlige.
– Det finnes mange ulike materialtyper. Dagens beste termoelektriske materialer er giftige og dyre. Noen av dem lages av stoffer som det finnes sv?rt lite av p? Jorda. Vi ?nsker ? lage dem billige og milj?vennlige – og vi skal bruke vanlige grunnstoffer, poengterer Truls Norby.
Det er dessverre ikke mulig ? lage et materiale som kan brukes til alle mulige form?l.
– Ulike materialer fungerer best innen bestemte temperaturdifferanser. Noen materialer t?ler ikke h?ye temperaturer. Vi har muligens funnet et materiale som egner seg til temperaturer opp til noen hundre grader, forteller Matthias Schrade.
Tilsynelatende selvmotsigelse
For ? lage materialene m? fysikerne l?se noe som kanskje h?res ut som en selvmotsigelse.
– Vi m? ha h?y elektrisk ledningsevne, slik at materialet lett kan lede str?m. Samtidig m? den termiske ledningsevnen v?re s? liten som mulig, slik at temperaturforskjellen opprettholdes. Jo h?yere temperaturforskjell, desto bedre blir energiutnyttelsen.
Det betyr at de m? lage materialer som hindrer varmen i ? spre seg, samtidig som den elektriske ledningsevnen skal v?re stor.
– Dette handler om et kompromiss. Her leter vi etter ‘den hellige gral’, forteller Henrik Riis.
Materialet m? v?re en halvleder. Dette er materialer med helt spesielle, elektriske egenskaper. Til sammenligning leder metaller b?de str?m og varme, mens isolatorer verken leder str?m eller varme. En halvleder er noe midt imellom.
Hindrer at varmen sprer seg.
Et av de store sp?rsm?lene er hvordan forskerne skal klare ? lage et materiale som ikke leder varme, samtidig som det skal kunne transportere str?m.
Jo varmere atomene blir, desto mer vibrerer de. Vibrasjonene p?virker naboatomene. Da vil ogs? naboatomene vibrere – og dermed bli varmere.
L?sningen er ? legge inn atomer som vibrerer med andre frekvenser enn naboatomene. Da ledes ikke varmen like lett.
– Poenget er ? lage uorden i nanoskala. Vi skal derfor legge inn sm? korn i materialene som demper vibreringen p? naboatomene. N?r det er uorden i atomene, kommer ikke vibrasjonene videre. Da hindres varmen i ? spre seg, forteller Johan Taft?.
Atombarrieren m? dessuten lages slik at elektronstr?mmen ikke blir hindret. P? den varme siden beveger elektronene seg raskere enn p? den kalde siden. Da vil elektronene bevege seg over til den kalde siden.
– N?r temperaturen er h?y, ?ker bevegelsen og hastigheten til elektronene. N?r elektronene f?r h?y hastighet, dyttes de av g?rde. Du kan sammen- ligne dette med en urettferdig konkurranse der et landslag p? den varme siden og et amat?rlag p? den kalde siden konkurrerer om ? slenge flest elektroner til den andre siden. Landslaget er best p? ? kaste dem lengst. Derfor vinner de, forteller Johan Taft?.
Inspirert av tysk fysiker
Forskerne jobber med materialer inspirert av halv-heusler-materialer, oppkalt etter den tyske fysikeren Friedrich Heusler.
– Ut ifra hva som er blitt publisert tidligere, trodde vi at strukturene til materialene var enkle, men vi har n? oppdaget at de er langt mer komplekse i nanometerskala, p?peker Anette Gunn?s.
Halvheusler er krystalliske materialer som best?r av tre like store mengder ulike grunnstoffer.
– Disse materialene er ikke bra nok som de er. For ? f? gode termoelektriske egenskaper, m? vi bytte ut noen av elementene. En m?te ? gj?re dette p?, er ? kombinere titan, tinn og nikkel. Andre muligheter er ? erstatte titan med zirkonium eller hafnium. Eller erstatte tinn med antimon eller kobolt med nikkel. Det er riktignok mulig ? finne enda mer effektive materialer, men vi ?nsker ? bruke materialer som det finnes mye av i naturen, som er billige og som dessuten ikke er giftige, forteller Johan Taft?.
Millionmikroskop
For ? kunne studere mikrostrukturene og se hvordan atomene er organisert, m? forskerne ty til noe som kalles for et transmisjonselektronmikroskop (TEM). Her er det mulig ? f? en forst?rrelse p? flere millioner ganger. Da kan forskerne se kolonner med enkeltatomer.
TME har visse likheter med vanlige mikroskop. Den store forskjellen er at TME bruker elektronstr?ler i stedet for vanlig lys.
– Ettersom elektroner har kortere b?lgelengder enn vanlig lys, kan vi se detaljene langt bedre, forteller Anette Gunn?s.
Ved ? m?le hvordan elektronene har passert materialet, hvordan energien har mistet energien sin p? veien og hvordan energien omdannes til r?ntgenstr?ler, f?r forskerne vite mer om de enkelte atomene og hvilke grunnstoffer de best?r av.
For tre ?r siden fikk Senter for materialvitenskap og nanoteknologi to nye elektronmikroskop. Det ene er tidenes mest moderne elektronmikroskop.
– Her kan vi f? detaljert informasjon om elektronstrukturen til stoffer, sier Anette Gunn?s.
Mikroskopet, som kostet 20 millioner kroner og er spesiallaget i Nederland, st?r fjellst?tt p? betong i et spesiallaget rom til ni millioner kroner.
– Den minste rystelse p?virker mikroskop- unders?kelsen. For ? hindre magnetiske forstyrrelser fra T-banen og andre steder, har vi lagt inn magnetisk kompensasjon i rommet. Temperaturen m? ogs? v?re jevn. Veggene er derfor tempererte med vannpaneler, forteller f?rsteamanuensis ?ystein Prytz p? SMN.
Det andre elektronmikroskopet kostet ?tte millioner kroner. Det er spesielt egnet til ? studere krystallstrukturer.
De to elektronmikroskopene har hver sine styrker og svakheter. For ? studere termiske materialer m? forskerne bruke begge to.
Slal?m mellom varmt og kaldt
N?r forskerne har funnet et perfekt materiale som skaper spenning fra det varme til det kalde omr?det, er de likevel bare halvveis. Det er bare mulig ? skape en spenning p? 0,2 millivolt per grad temperaturforskjell. Med en temperaturforskjell p? hundre grader kan spenningen bli 20 millivolt. Til sammenligning er det 220 volt i stikkontakten din.
For ? ?ke spenningen skal forskerne plassere en mengde termoelektriske, sm? brikker tett i tett, som en rad med dominobrikker, mellom den varme og den kalde delen.
De skal s? s?rge for at str?mmen g?r gjennom alle de termoelektriske brikkene, annenhver gang fra varm til kald del og annenhver gang fra kald til varm del.
For hver gang str?mmen passerer en brikke, kan spenningen ?kes med 20 millivolt.
Desto flere sl?yfer str?mmen g?r igjennom, desto h?yere blir spenningen.
Og det er n? Apollon kommer til nok et poeng. Materialet som genererer den ?kte spenningen fra den varme til den kalde delen, er annerledes enn det som genererer den ?kte spenningen fra den kalde til den varme delen.
Forskerne m? derfor lete etter to ulike materialer. Ett som g?r fra varmt til kaldt omr?de og et annet som g?r fra kaldt til varmt.
– Disse to materialene m? lages slik at de utvider seg likt ved samme temperaturforskjell. Det betyr at varmeekspansjonen m? v?re den samme. Ellers sprekker hele systemet, forteller Henrik Riis.
Varmepumper
Professor Vidar Hansen fra Universitetet i Stavanger 澳门葡京手机版app下载er med forskerne p? SMN for ? bruke termoelektriske materialer til ? lage varmepumper uten vifter og andre bevegelige deler. Her skal det sendes inn str?m for ? ?ke temperaturforskjellene.
– Vi jobber n? med ? f? st?rst mulig effektivitet i disse varmepumpene, forteller Vidar Hansen.