Det är enkelt att omvandla elkraft till värme. Det händer regelbundet i din brödrost, det är, om du gör toast regelbundet. Motsatsen, omvandla värme till elkraft, är inte så lätt.

Forskare från Sandia National Laboratories har utvecklat en liten kiselbaserad enhet som kan utnyttja det som tidigare kallades spillvärme och göra det till likström. Deras framsteg publicerades nyligen i Physical Review Applied.

"Vi har utvecklat en ny metod för att i huvudsak återvinna energi från spillvärme. Bilmotorer producerar mycket värme och att värme är bara avfall, höger? Så tänk om du skulle kunna omvandla motorvärmen till elektrisk kraft för en hybridbil. Detta är det första steget i den riktningen, men mycket mer arbete måste göras, sa Paul Davids, en fysiker och huvudforskare för studien.

"På kort sikt vill vi göra en kompakt infraröd strömförsörjning, kanske för att ersätta radioisotoper termoelektriska generatorer. "Kallade RTG, generatorerna används för sådana uppgifter som att driva sensorer för rymduppdrag som inte får tillräckligt med direkt solljus för att driva solpaneler.

Davids enhet är gjord av vanliga och rikliga material, som aluminium, kisel och kiseldioxid – eller glas – kombinerade på mycket ovanliga sätt.

Kiselanordning fångar upp, kanaler och omvandlar värme till kraft

Mindre än en pink nagel, enheten är ungefär 1/8 tum med 1/8 tum, hälften så tjock som en krona och metalliskt blank. Toppen är aluminium som etsats med ränder som är ungefär 20 gånger mindre än bredden på ett människohår. Detta mönster, fast allt för liten för att synas av ögat, fungerar som en antenn för att fånga den infraröda strålningen.

Mellan aluminiumtoppen och kiselbotten finns ett mycket tunt lager kiseldioxid. Detta lager är cirka 20 kiselatomer tjockt, eller 16, 000 gånger tunnare än ett människohår. Den mönstrade och etsade aluminiumantennen kanaliserar den infraröda strålningen till detta tunna lager.

Den infraröda strålningen som fångas i kiseldioxiden skapar mycket snabba elektriska svängningar, cirka 50 biljoner gånger i sekunden. Detta skjuter elektroner fram och tillbaka mellan aluminium och kisel på ett asymmetriskt sätt. Denna process, kallas rättelse, genererar elektrisk likström netto.

Teamet kallar sin enhet för en infraröd rektenna, en portmanteau av likriktande antenn. Det är en solid state-enhet utan rörliga delar som kan fastna, böj eller bryt, och behöver inte direkt röra värmekällan, som kan orsaka termisk stress.

Infraröd rektennaproduktion använder vanliga, skalbara processer

Eftersom teamet tillverkar den infraröda rektennan med samma processer som används av den integrerade kretsindustrin, det är lätt skalbart, sa Joshua Shank, elingenjör och tidningens första författare, som testade enheterna och modellerade den underliggande fysiken medan han var Sandia postdoktor.

Han lade till, "Vi har medvetet fokuserat på vanliga material och processer som är skalbara. I teorin, alla kommersiella anläggningar för tillverkning av integrerade kretsar skulle kunna göra dessa rektennor."

Därmed inte sagt att det var enkelt att skapa den aktuella enheten. Rob Jarecki, tillverkningsingenjören som ledde processutveckling, sa, "Det finns en enorm komplexitet under huven och enheterna kräver alla typer av bearbetningstrick för att bygga dem."

En av de största tillverkningsutmaningarna var att sätta in små mängder andra element i kislet, eller dopa det, så att det skulle reflektera infrarött ljus som en metall, sa Jarecki. "Vanligtvis doppar du inte kisel ihjäl, du försöker inte göra det till en metall, för att du har metaller för det. I det här fallet behövde vi det dopat så mycket som möjligt utan att förstöra materialet. "

Enheterna tillverkades vid Sandias Microsystems Engineering, Science and Applications Complex. Teamet har utfärdat patent för den infraröda rektenna och har lämnat in ytterligare patent.

Den version av den infraröda rektennan som teamet rapporterade i Physical Review Applied producerar 8 nanowatt effekt per kvadratcentimeter från en specialiserad värmelampa vid 840 grader. För sammanhang, en typisk soldriven miniräknare använder cirka 5 mikrovatt, så de skulle behöva ett ark med infraröda rektennor som är något större än ett standardpapper för att driva en miniräknare. Så, teamet har många idéer för framtida förbättringar för att göra den infraröda rektenna mer effektiv.

Framtida arbete för att förbättra infraröd rektenneffektivitet

Dessa idéer inkluderar att göra rektennans toppmönster 2-D x istället för 1D-ränder, för att absorbera infrarött ljus över alla polarisationer; omforma det likriktande skiktet till att vara en helvågslikriktare istället för den nuvarande halvvågslikriktaren; och göra den infraröda rektenna på en tunnare kiselskiva för att minimera strömförlust på grund av motstånd.

Genom förbättrad design och större konverteringseffektivitet, effekt per ytenhet ökar. Davids tror att inom fem år, den infraröda rektenna kan vara ett bra alternativ till RTG för kompakta nätaggregat.

Shank sa, "Vi måste fortsätta att förbättra oss för att vara jämförbara med RTGs, men rektennorna kommer att vara användbara för alla applikationer där du behöver något för att fungera tillförlitligt under lång tid och där du inte kan gå in och bara byta batteri. Dock, vi kommer inte att vara ett alternativ för solpaneler som en källa till nätkraft, åtminstone inte på kort sikt. "

Davids tillade, "Vi har tappat bort problemet och nu börjar vi komma till den punkt där vi ser relativt stora vinster i kraftomvandling, och jag tror att det finns en väg framåt som ett alternativ till termoelektrisk. Det känns bra att komma till den här punkten. Det skulle vara fantastiskt om vi kunde skala upp det och förändra världen."