Termoelektriska kraftgeneratorer som gör elektrisk kraft från spillvärme skulle vara ett användbart verktyg för att minska utsläppen av växthusgaser om det inte vore för ett mycket irriterande problem:behovet av att göra elektriska kontakter till sin heta sida, som ofta bara är för varmt för material som kan generera en ström.

Värmen gör att enheter misslyckas med tiden.

Enheter som kallas transversell termoelektrik undviker detta problem genom att producera en ström som går vinkelrätt mot den ledande enheten, kräver endast kontakter på den kalla änden av generatorn. Även om det anses vara en lovande teknik, de material som är kända för att skapa denna sidospänning är opraktiskt ineffektiva - eller så trodde forskare.

Ohio State University-forskare visar i en ny studie att ett enda material, en skiktad kristall bestående av elementen rhenium och kisel, visar sig vara guldstandarden för tvärgående termoelektriska enheter.

Forskarna visade att denna enda förening fungerar som en mycket effektiv termoelektrisk generator på grund av en sällsynt egenskap:Samtidigt bär både positiva och negativa laddningar som kan röra sig oberoende snarare än att springa parallellt med varandra, vilket tvingar dem att sicksacka sig till kontakterna för att generera en elektrisk ström.

Genom att bygga en termoelektrisk generator med en kristall ungefär två tum lång, forskarna bestämde också att när kristallen ligger i en specifik vinkel i enheten, det kan dra ut en imponerande mängd ström.

"Vi visade att dessa material är lika effektiva som konventionell termoelektrisk generatorteknik, men övervinna dess stora nackdelar, " sade studiens medförfattare Joshua Goldberger, professor i kemi och biokemi vid Ohio State.

"Detta är första gången den här typen av anordning någonsin har visat sig vara genomförbar. Med verkningsgrader som är storleksordningar högre än någon tidigare tvärgående anordning, denna förening är lika bra som vad du kan köpa kommersiellt, men lovar att bli mycket enklare och mer pålitlig."

Forskningen publiceras online i tidskriften Energi- och miljövetenskap .

Medan 97% av energin genereras från värme, vi kastar bort mest värme, låta den fly från skorstenar, bilavgasrör och liknande.

"Spillvärme är verkligen viktigt. För alltid och alltid har det funnits en strävan efter att förbättra effektiviteten hos alla motorer som gör kraft från värme - mängden arbete du kan få ut av dem som du kan använda, "sa studiemedförfattaren Joseph Heremans, professor i mekanisk och rymdteknik och Ohio Eminent Scholar i nanoteknik vid Ohio State.

"Under en lång tid, vi har drömt om att hitta små motorer som inte skulle ha rörliga delar som kan ta värme och göra elektricitet."

Och nu har de.

De flesta material leder bara en typ av laddning, vilket gör att de flesta termoelektriska enheter är sammansatta av flera föreningar – men komplexiteten i att ta kontakt med dem har hindrat ansträngningarna att bygga en effektiv och effektiv termoelektrisk generator som är lätt att konstruera och som tål höga temperaturer.

Två år sedan, detta forskarteam upptäckte oväntade egenskaper i en annan förening som möjliggjorde elektroner och hål, källorna till de negativa och positiva laddningarna, respektive, som genererar en elektrisk ström, att springa längs vad som kan likna en nord-sydlig motorväg för en laddning och en öst-västlig motorväg för den andra.

Efter den upptäckten, forskarna kammade igenom befintlig forskning på andra kristaller som andra forskare hade funnit göra samma sak.

"Vi blev intresserade av det här eftersom till en början, vi insåg inte att det kunde existera. När vi kom på att det kunde finnas, vi har verkligen ansträngt oss för att hitta dessa material, " sa Goldberger. Hittills, de har experimentellt bekräftat 15 material med dessa egenskaper – av de över 110, 000 kristallstrukturer upptäckta och katalogiserade i en internationell databas.

"Några hade upptäckts, men ingen utnyttjades för funktionalitet. Vad vi har upptäckt är att vi faktiskt kan göra något med det, sa Wolfgang Windl, en professor i materialvetenskap och teknik vid Ohio State och medförfattare till studien.

"Allt vi behöver göra är att lägga kablar i ena änden och orientera kristallen på ett visst sätt och plötsligt har vi en elgenerator utan rörliga delar. Och du gör den varm med vilken spillvärme du än har i ditt hem, bil eller raket, och detta kommer att generera utsläppsfri kraft helt av sig själv och i princip oändligt. Det är lite som svart magi för mig."

Teoretiskt sett, en generator tillverkad med denna förening kan tas i bruk var som helst värme genereras - storleken på kristallen kan vara variabel, och i denna studie dikterades av storleken på ugnen i vilken den odlades.

Heremans sa att generatorn kunde producera tillräckligt med el från bilavgaser för att driva fordonet framåt, men han föredrar tanken på att använda denna teknik i mindre skala:"De mindre applikationerna är där komplexa lösningar inte är välkomna eftersom de är för dyra, " sa han. "Det är där en enkel lösning som den här förmodligen är bäst."