Känner du att värmen kommer från din dator eller mobiltelefon? Det är bortkastad energi som strålar från enheten. Med bilar, det uppskattas att 60% av bränsleeffektiviteten går förlorad på grund av spillvärme. Är det möjligt att fånga denna energi och omvandla den till elektricitet?

Forskare som arbetar inom termoelektrisk kraftproduktion säger absolut. Men om det kan göras kostnadseffektivt är fortfarande en fråga.

Tills vidare, termoelektriska generatorer är en sällsynthet, används främst i nischapplikationer som rymdprober, där tankning inte är en möjlighet. Termoelektricitet är ett aktivt forskningsområde, särskilt bland bilföretag som BMW och Audi. Dock, hittills, kostnaden för att omvandla värme till el har visat sig vara dyrare än själva elen.

Anveeksh Koneru, en universitetslektor i maskinteknik vid University of Texas Permian Basin (UTPB), undersöker en ny metod för att fånga upp spillvärme genom att utnyttja de kvantmekaniska rörelserna för elektroner i spinnpolariserade material.

Inom partikelfysik, spin är en inneboende form av vinkelmoment som bärs av elementära partiklar, sammansatta partiklar (hadroner), och atomkärnor. Genom en mekanism som kallas Spin Hall -effekten, det har visats att en spänning kan genereras genom att utnyttja skillnader i spinnpopulationer på en metallkontakt fäst på ett ferromagnetiskt material. Först experimentellt demonstrerat av japanska forskare 2008, idén har genomträngt genom materialvetenskap ett tag men har ännu inte hittat sin optimala form.

Koneru tror att i koboltoxid, han kan ha hittat rätt material för att utnyttja effekten för energiproduktion. En oorganisk förening som används i keramikindustrin för att skapa blåfärgade glasyrer, och inom vattenseparationsteknik, koboltoxider har den unika förmågan att acceptera substitutmetallkatjoner, vilket gör att de kan blandas med nickel, koppar, mangan, eller zink. Dessa metaller har magnetiska egenskaper som kan öka separationen mellan elektroner som snurrar upp och ner och förbättrar omvandlingen av värme till elektricitet.

"Materialet ska vara en bra elektrisk ledare, men en dålig värmeledare. Den ska leda elektroner, men inte fononer, som är värme, "Sade Koneru." För att studera detta experimentellt, vi skulle behöva tillverka tusentals olika kombinationer av material. Istället, vi försöker teoretiskt beräkna vad den optimala konfigurationen av materialet med substitutioner är. "

Sedan 2018 har Koneru har använt superdatorer vid Texas Advanced Computing Center (TACC) för att praktiskt testa energiprofilerna för en mängd olika koboltoxider med en rad substitutioner.

"Varje kalibrering tar 30 till 40 timmars datortid, och vi måste studera minst en 1, 000 till 1, 500 olika konfigurationer, "förklarade han." Det kräver en enorm beräkningsmöjlighet och det är vad TACC tillhandahåller. "

Koneru, tillsammans med UTPB -studenter Gustavo Damis Resende, Nolan Hines, och en medarbetare från West Virginia University, Terence Musho, presenterade sina första resultat om koboltoxiders termoelektriska kapacitet vid Materials Research Society Spring Meeting i Phoenix, Arizona, den 22 april.

Forskarna studerade 56-atomenhetceller i tre konfigurationer av koboltoxid, justerad genom substitutioner av nickel och zink, för att uppnå optimal termoelektrisk prestanda. De använde ett mjukvarupaket som kallas Quantum ESPRESSO för att beräkna fysiska egenskaper för varje konfiguration. Dessa inkluderar:

• bandgapet:den minsta energi som krävs för att excitera en elektron till ett tillstånd där den leder energi; gitterparametern:cellernas fysiska dimensioner i ett kristallgitter;
• den effektiva massan av ledningselektroner:massan som en partikel tycks ha när den reagerar på kraft;
• och centrifugeringspolarisationen:i vilken grad centrifugeringen är i linje med en given riktning.

Dessa grundläggande egenskaper användes sedan för att utföra konventionella laddnings- och centrifugeringsberäkningar, som berättar för forskarna hur väl en konfiguration av koboltoxiden kan förvandla värme till elektricitet.

Enligt forskarna, metoden som utvecklats i denna forskning kan tillämpas på andra intressanta termoelektriska material med halvledande och magnetiska egenskaper, vilket gör det i stort sett användbart för materialvetenskapssamhället.

ANVÄNDNING AV UT FORSKNINGSCYBERINFRASTRUKTUR

Som doktorand student vid West Virginia University, Koneru hade tillgång till stora superdatorer för att utföra sin forskning. Även om UTPB inte har sådana resurser lokalt, han kunde utnyttja TACC:s avancerade datorsystem och tjänster genom initiativet UT Research Cyberinfrastructure (UTRC), som, sedan 2007, har gett forskare vid någon av University of Texas Systems 14 institutioner tillgång till TACC:s resurser, expertis, och träning.

Som en del av UTRC -initiativet TACC -personal fungerar som kontaktpersoner, besöker UT Systems 14 campus, erbjuder utbildning och konsultation, och introducerar forskarna de resurser som finns tillgängliga för dem. När TACC -forskaren Ari Kahn besökte UTPB, han träffade Koneru och uppmuntrade honom att beräkna på TACC.

Sedan dess, Koneru har använt Lonestar5, ett system exklusivt för UT -systemforskare, för hans arbete. Även om de fortfarande är i sitt tidiga skede, resultaten hittills har varit lovande.

"Jag är upphetsad eftersom vi tydligt kunde se spinnpolarisering när koboltoxidspineller ersattes med nickel. Det är ett gott tecken, "sa han." Vi ser att en viss konfiguration har en högre splittring i bandgap, något som är överraskande och vi måste utforska vidare. Och alla kalibreringar konvergerar, vilket visar att de är pålitliga. "

När han väl identifierat det optimala materialet för omvandling av spillvärme, Koneru hoppas kunna konstruera en pasta som kan appliceras på ett fordons slutrör, omvandla spillvärme till el för att driva en bils elsystem. Han uppskattar att en sådan enhet kan kosta mindre än 500 dollar per fordon och kan minska utsläppen av växthusgaser med hundratals miljoner ton årligen.

"Med de senaste framstegen inom nanofabrication, och beräkningskalibreringar för nanomaterial, spintermiska material kan spela en viktig roll i energiomvandlingen i framtiden, " han sa.

TACC gör det möjligt för Koneru att gå igenom ett stort antal möjliga materialkonfigurationer så att när det är dags att testa dem experimentellt, antalet kandidater kommer att vara hanterbart.

"TACC är ett så mycket användbart system med personal som kan vägleda dig om det uppstår problem, "Sade Koneru." Om lärare eller studenter är intresserade av forskning som kräver beräkningsmöjligheter, TACC är det rätta alternativet att välja. Det ger resurser och expertis gratis. Det är en stor möjliggörare för vad du än brinner för. "

"Det är vårt uppdrag att uppmuntra forskare över hela staten att använda TACC -resurser för att göra fantastiska upptäckter som inte kan göras i laboratoriet eller med hjälp av lokala kluster, "sade TACC:s Ari Khan." Dr. Konerus forskning är ett bra exempel på ett sådant projekt som kan ha stor inverkan på luftföroreningar och global uppvärmning. "