Termoelektriska enheter, som kan generera ström när ena sidan av enheten har en annan temperatur än den andra, har varit föremål för mycket forskning de senaste åren. Nu, ett team vid MIT har kommit på ett nytt sätt att omvandla temperaturfluktuationer till elektrisk kraft. Istället för att kräva två olika temperaturingångar samtidigt, det nya systemet drar fördel av de svängningar i omgivningstemperaturen som sker under dag-natt-cykeln.

Det nya systemet, kallas en termisk resonator, kunde möjliggöra kontinuerlig, år lång drift av fjärranalyssystem, till exempel, utan att kräva andra strömkällor eller batterier, säger forskarna.

Fynden rapporteras i tidskriften Naturkommunikation , i en uppsats av doktoranden Anton Cottrill, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik Michael Strano, och sju andra på MIT:s avdelning för kemiteknik.

"Vi uppfann i princip det här konceptet av helt tyg, " säger Strano. "Vi har byggt den första termiska resonatorn. Det är något som kan sitta på ett skrivbord och generera energi ur det som verkar vara ingenting. Vi är omgivna av temperaturfluktuationer av alla olika frekvenser hela tiden. Dessa är en outnyttjad energikälla."

Även om effektnivåerna som genererats av det nya systemet hittills är blygsamma, fördelen med termisk resonator är att den inte behöver direkt solljus; den genererar energi från förändringar i omgivande temperatur, även i skuggan. Det betyder att den inte påverkas av kortsiktiga förändringar i molntäcket, vindförhållanden, eller andra miljöförhållanden, och kan placeras var som helst som är bekvämt – även under en solpanel, i evig skugga, där det till och med kunde tillåta solpanelen att bli mer effektiv genom att dra bort spillvärme, säger forskarna.

Den termiska resonatorn visade sig överträffa en identisk storlek, kommersiellt pyroelektriskt material – en etablerad metod för att omvandla temperaturfluktuationer till elektricitet – med en faktor på mer än tre i termer av effekt per område, enligt Cottrill.

Forskarna insåg att för att producera kraft från temperaturcykler, de behövde ett material som är optimerat för en föga igenkänd egenskap som kallas termisk effusivitet – en egenskap som beskriver hur lätt materialet kan dra värme från sin omgivning eller frigöra den. Termisk effusivitet kombinerar egenskaperna hos värmeledning (hur snabbt värme kan fortplanta sig genom ett material) och värmekapacitet (hur mycket värme kan lagras i en given volym material). I de flesta material, om en av dessa egenskaper är hög, den andra tenderar att vara låg. Keramik, till exempel, har hög värmekapacitet men låg ledning.

För att komma runt detta, teamet skapade en noggrant skräddarsydd kombination av material. Den grundläggande strukturen är ett metallskum, gjord av koppar eller nickel, som sedan beläggs med ett lager grafen för att ge ännu större värmeledningsförmåga. Sedan, skummet är infunderat med ett slags vax som kallas oktadekan, ett fasförändringsmaterial, som växlar mellan fast och flytande inom ett speciellt temperaturintervall som valts för en given tillämpning.

Ett prov av materialet som gjordes för att testa konceptet visade att, helt enkelt som svar på en temperaturskillnad på 10 grader Celsius mellan natt och dag, det lilla provet av material producerade 350 millivolt potential och 1,3 milliwatt effekt – tillräckligt för att driva enkel, små miljösensorer eller kommunikationssystem.

"Fasförändringsmaterialet lagrar värmen, säger Cottrill, studiens huvudförfattare, "och grafenen ger dig väldigt snabb ledning" när det är dags att använda den värmen för att producera en elektrisk ström.

Väsentligen, Strano förklarar, ena sidan av enheten fångar upp värme, som sedan långsamt strålar fram till andra sidan. Den ena sidan släpar alltid efter den andra när systemet försöker nå jämvikt. Denna eviga skillnad mellan de två sidorna kan sedan skördas genom konventionell termoelektrik. Kombinationen av de tre materialen - metallskum, grafen, och oktadekan - gör det till "det högsta termiska effusiviteten i litteraturen hittills, " säger Strano.

Medan de första testerna gjordes med hjälp av den 24-timmars dagliga cykeln av omgivande lufttemperatur, justering av materialets egenskaper kan göra det möjligt att skörda andra typer av temperaturcykler, t.ex. värmen från på- och avstängning av motorer i ett kylskåp, eller av maskiner i industrianläggningar.

"Vi är omgivna av temperaturvariationer och fluktuationer, men de har inte karaktäriserats väl i miljön, " säger Strano. Detta beror delvis på att det inte fanns något känt sätt att utnyttja dem.

Andra tillvägagångssätt har använts för att försöka hämta kraft från termiska cykler, med pyroelektriska anordningar, till exempel, men det nya systemet är det första som kan ställas in för att svara på specifika perioder av temperaturvariationer, som den dagliga cykeln, säger forskarna.

Dessa temperaturvariationer är "outnyttjad energi, säger Cottrill, och kan vara en kompletterande energikälla i ett hybridsystem som, genom att kombinera flera vägar för att producera kraft, kunde fortsätta fungera även om enskilda komponenter misslyckades. Forskningen finansierades delvis av ett anslag från Saudiarabiens King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), som hoppas kunna använda systemet som ett sätt att driva nätverk av sensorer som övervakar förhållandena vid olje- och gasborrningsfält, till exempel.

"De vill ha ortogonala energikällor, " Cottrill säger - det vill säga, de som är helt oberoende av varandra, såsom fossilbränslegeneratorer, solpaneler, och den här nya värmecykelkraftenheten. Således, "om en del misslyckas, " till exempel om solpaneler lämnas i mörker av en sandstorm, "du kommer att ha den här ytterligare mekanismen för att ge kraft, även om det bara räcker för att skicka ut ett nödmeddelande."

Sådana system skulle också kunna tillhandahålla energikällor med låg effekt men långvariga energikällor för landare eller rovers som utforskar avlägsna platser, inklusive andra månar och planeter, säger Volodymyr Koman, en MIT postdoc och medförfattare till den nya studien. För sådana användningar, mycket av systemet skulle kunna tillverkas av lokala material snarare än att behöva göras i förväg, han säger.