Dit diagram laat de onderzoekers zien hoe elektrische energie bestaat in een monster van Fe3Ga. Credit: © 2020 Sakai et al

een dunne, op ijzer gebaseerde generator gebruikt afvalwarmte om kleine hoeveelheden stroom te leveren.

onderzoekers hebben een manier gevonden om warmte-energie om te zetten in elektriciteit met een niet-toxisch materiaal. Het materiaal is voornamelijk ijzer, wat zeer goedkoop is gezien de relatieve overvloed. Een generator op basis van dit materiaal kan kleine apparaten zoals sensoren op afstand of draagbare apparaten van stroom voorzien. Het materiaal kan dun zijn zodat het in verschillende vormen kan worden gevormd.

Er bestaat niet zoiets als een gratis lunch, of vrije energie. Maar als uw energiebehoefte laag genoeg is, bijvoorbeeld in het geval van een kleine sensor van een soort, dan is er een manier om warmte-energie te benutten om uw stroom te leveren zonder draden of batterijen. Onderzoeksmedewerker Akito Sakai en groepsleden van zijn laboratorium aan het University Of Tokyo Institute for Solid State Physics en Department of Physics, onder leiding van Professor Satoru Nakatsuji, en van de afdeling Technische Natuurkunde, onder leiding van Professor Ryotaro Arita, hebben stappen gezet in de richting van dit doel met hun innovatieve op ijzer gebaseerde thermo-elektrisch materiaal.

Thermo-elektrische apparaten gebaseerd op het abnormale Nernst-effect (links) en het Seebeck-effect (rechts). (V) vertegenwoordigt de stroomrichting, (T) de temperatuurgradiënt en (M) het magnetische veld. Credit: © 2020 Sakai et al

” tot nu toe heeft alle studie over Thermo-elektrische opwekking zich gericht op het gevestigde maar beperkte Seebeck-effect,” zei Nakatsuji. “In tegenstelling, we gericht op een relatief minder vertrouwd fenomeen genaamd de anomalous Nernst effect (ANE).”

ANE produceert een spanning loodrecht op de richting van een temperatuurgradiënt over het oppervlak van een geschikt materiaal. Dit fenomeen zou het ontwerp van thermo-elektrische generatoren kunnen vereenvoudigen en hun omzettingsefficiëntie kunnen verbeteren als de juiste materialen gemakkelijker beschikbaar komen.

een diagram om de nodal webstructuur te tonen die verantwoordelijk is voor het afwijkende Nernst effect. Credit: © 2020 Sakai et al

” We hebben een materiaal gemaakt dat 75 procent ijzer en 25 procent aluminium (Fe3Al) of gallium (Fe3Ga) is door een proces dat doping heet, ” zei Sakai. “Dit aanzienlijk versterkt ANE. We zagen een twintigvoudige sprong in voltage in vergelijking met ongedopte monsters, wat spannend was om te zien.”

Dit is niet de eerste keer dat het team ANE heeft aangetoond, maar eerdere experimenten gebruikten materialen die minder gemakkelijk beschikbaar en duurder waren dan ijzer. De aantrekkingskracht van dit apparaat is deels de goedkope en niet-giftige bestanddelen, maar ook het feit dat het kan worden gemaakt in een dunne-film vorm, zodat het kan worden gegoten om verschillende toepassingen aan te passen.

“de dunne en flexibele structuren die we nu kunnen creëren, kunnen energie efficiënter oogsten dan generatoren op basis van het Seebeck-effect”, legt Sakai uit. “Ik hoop dat onze ontdekking kan leiden tot thermo-elektrische technologieën voor het aandrijven van draagbare apparaten, externe sensoren op ontoegankelijke plaatsen waar batterijen onpraktisch zijn, en meer.”

vóór de laatste tijd zou dit soort ontwikkeling in de materiaalwetenschap voornamelijk het gevolg zijn van herhaalde herhalingen en verfijningen in experimenten die zowel tijdrovend als duur waren. Maar het team vertrouwde zwaar op computationele methoden voor numerieke berekeningen effectief verminderen van de tijd tussen het oorspronkelijke idee en het bewijs van succes.

“numerieke berekeningen hebben sterk bijgedragen aan onze ontdekking; bijvoorbeeld, hoge snelheid automatische berekeningen hielp ons vinden geschikte materialen om te testen,” zei Nakatsuji. “En eerste principes berekeningen op basis van kwantummechanica verkorten het proces van het analyseren van elektronische structuren die we nodal webs noemen die cruciaal zijn voor onze experimenten.”

“tot nu toe was dit soort numerieke berekening onbetaalbaar moeilijk,” zei Arita. “We hopen dus dat niet alleen onze materialen, maar ook onze computationele technieken nuttig kunnen zijn voor anderen. We willen allemaal graag op een dag apparaten zien die gebaseerd zijn op onze ontdekking.”

referentie: “Ijzer gebaseerde binaire ferromagnets voor transverse thermo-elektrische conversie” door Akito Sakai, Susumu Minami, Takashi Koretsune, Taishi Chen, Tomoya Higo, Yangming Wang, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Shinji Cane, Daisuke Nishio-Hamane, Fumiyuki Ishii, Ryotaro Arita en Satoru Nakatsuji, 27 April 2020, natuur.DOI: 10.1038 / s41586-020-2230-deze werkzaamheden worden gedeeltelijk ondersteund door CREST (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), Japan Science and Technology Agency, door subsidies voor wetenschappelijk onderzoek op innovatieve gebieden (JP15H05882 en JP15H05883) van het Japanse Ministerie van Onderwijs, Cultuur, Sport, Wetenschap en technologie, en door subsidies voor Wetenschappelijk Onderzoek (JP16H02209, JP16H06345, JP19H00650). van de Japanese Society for the promotion of Science (jsps). De werkzaamheden voor de berekening van de eerste beginselen werden gedeeltelijk ondersteund door de Jsps-subsidie voor wetenschappelijk onderzoek op innovatieve gebieden (JP18H04481 en JP19H05825) en door MEXT als een sociale en wetenschappelijke prioriteit (creatie van nieuwe functionele apparaten en hoogwaardige materialen ter ondersteuning van de volgende generatie industrieën), die moet worden aangepakt met behulp van post-K-computer (hp180206 en hp190169).