(PhysOrg.com) - University of Arizona fysiker har upptäckt ett nytt sätt att skörda spillvärme och omvandla den till elektrisk kraft. Att dra nytta av kvanteffekter, tekniken lovar stort för att tillverka bilar, kraftverk, fabriker och solpaneler effektivare.

Vad gör en bilmotor, ett kraftverk, en fabrik och en solpanel har gemensamt? De genererar alla värme - varav mycket går till spillo.

University of Arizona fysiker har upptäckt ett nytt sätt att skörda spillvärme och förvandla den till elektrisk kraft.

Med hjälp av en teoretisk modell av en så kallad molekylär termoelektrisk enhet, tekniken lovar stort för att tillverka bilar, kraftverk, fabriker och solpaneler effektivare, för att nämna några möjliga tillämpningar. Dessutom, effektivare termoelektriska material skulle göra ozonnedbrytande klorfluorkolväten, eller CFC, föråldrad.

Forskargruppen ledd av Charles Stafford, docent i fysik, publicerade sina resultat i septembernumret av den vetenskapliga tidskriften, ACS Nano .

"Termoelektricitet gör det möjligt att rent omvandla värme direkt till elektrisk energi i en enhet utan rörliga delar, " sa huvudförfattaren Justin Bergfield, en doktorand vid UA College of Optical Sciences.

"Våra kollegor på området säger att de är ganska säkra på att de enheter vi har designat på datorn kan byggas med de egenskaper som vi ser i våra simuleringar."

"Vi förväntar oss att den termoelektriska spänningen med vår design är ungefär 100 gånger större än vad andra har uppnått i labbet, ", tillade Stafford.

Att fånga energin som går förlorad genom spillvärme har stått på ingenjörernas önskelista länge men, än så länge, ett koncept för att ersätta befintliga enheter som är både mer effektivt och ekonomiskt konkurrenskraftigt har saknats.

Till skillnad från befintliga värmeomvandlingsanordningar som kylskåp och ångturbiner, enheterna från Bergfield och Stafford kräver ingen mekanik och inga ozonnedbrytande kemikalier. Istället, en gummiliknande polymer inklämd mellan två metaller som fungerar som elektroder kan göra susen.

Bil- eller fabriksavgasrör kan vara belagda med materialet, mindre än 1 miljondels tum tjock, att skörda energi som annars går förlorad som värme och generera elektricitet.

Fysikerna drar fördel av kvantfysikens lagar, ett område som inte vanligtvis utnyttjas när man utvecklar kraftgenererande teknik. Till den oinvigde, kvantfysikens lagar verkar flyga i ansiktet av hur saker "förmodas" bete sig.

Nyckeln till tekniken ligger i en kvantlag som fysiker kallar våg-partikeldualitet:Små föremål som elektroner kan bete sig antingen som en våg eller som en partikel.

"På sätt och vis, en elektron är som en röd sportbil, ", sa Bergfield. "Sportbilen är både en bil och den är röd, precis som elektronen är både en partikel och en våg. De två är egenskaper hos samma sak. Elektroner är bara mindre uppenbara för oss än sportbilar."

Bergfield och Stafford upptäckte potentialen för att omvandla värme till elektricitet när de studerade polyfenyletrar, molekyler som spontant aggregerar till polymerer, långa kedjor av återkommande enheter. Ryggraden i varje polyfenyletermolekyl består av en kedja av bensenringar, som i sin tur är uppbyggda av kolatomer. Kedjelänkstrukturen för varje molekyl fungerar som en "molekylär tråd" genom vilken elektroner kan färdas.

"Vi hade båda arbetat med dessa molekyler tidigare och funderat på att använda dem för en termoelektrisk enhet, "Bergfield sa, "men vi hade egentligen inte hittat något speciellt om dem förrän Michelle Solis, en undergrad som arbetade med oberoende studier i labbet, upptäckte att, låg och se, dessa saker hade en speciell egenskap."

Med hjälp av datorsimuleringar, Bergfield "växte" sedan en skog av molekyler inklämda mellan två elektroder och exponerade arrayen för en simulerad värmekälla.

"När du ökar antalet bensenringar i varje molekyl, du ökar den genererade kraften, sa Bergfield.

Hemligheten bakom molekylernas förmåga att omvandla värme till kraft ligger i deras struktur:Som vatten når en gaffel i en flod, flödet av elektroner längs molekylen delas i två delar när den möter en bensenring, med ett flöde av elektroner som följer längs varje arm av ringen.

Bergfield designade bensenringkretsen på ett sådant sätt att elektronen i den ena vägen tvingas färdas en längre sträcka runt ringen än den andra. Detta gör att de två elektronvågorna är ur fas när de återförenas när de når den bortre sidan av bensenringen. När vågorna möts, de tar ut varandra i en process som kallas kvantinterferens. När en temperaturskillnad placeras över kretsen, detta avbrott i flödet av elektrisk laddning leder till uppbyggnaden av en elektrisk potential - spänning - mellan de två elektroderna.

Vågstörningar är ett koncept som utnyttjas av brusreducerande hörlurar:Inkommande ljudvågor möts av motvågor som genereras av enheten, torkar bort det stötande ljudet.

"Vi är de första som utnyttjar elektronens vågnatur och utvecklar ett koncept för att förvandla den till användbar energi, " sa Stafford.

Analogt med fast tillstånd kontra snurrande hårddisk typ datorminne, UA-designade termoelektriska enheter kräver inga rörliga delar. Genom design, de är fristående, enklare att tillverka och enklare att underhålla jämfört med idag tillgänglig teknik.

"Du kan bara ta ett par metallelektroder och måla dem med ett enda lager av dessa molekyler, ", sa Bergfield. "Det skulle ge dig en liten smörgås som skulle fungera som din termoelektriska enhet. Med en solid state-enhet behöver du inga kylmedel, du behöver inte transportera flytande kväve, och du behöver inte göra mycket underhåll."

"Man skulle kunna säga, istället för freongas, vi använder elektrongas, ", tillade Stafford.

"Effekterna vi ser är inte unika för de molekyler vi använde i vår simulering, ", sa Bergfield. "Alla kvantskaliga enheter där du har en annullering av elektrisk laddning kommer att göra susen, så länge det finns en temperaturskillnad. Ju större temperaturskillnaden är, desto mer kraft kan du generera."

Molekylära termoelektriska enheter kan hjälpa till att lösa ett problem som för närvarande plågar fotovoltaiska celler som hämtar energi från solljus.

"Solpaneler blir väldigt varma och deras effektivitet minskar, Stafford sa. "Du kan skörda en del av den värmen och använda den för att generera ytterligare elektricitet samtidigt som du kyler panelen och gör sin egen solcellsprocess mer effektiv."

"Med en mycket effektiv termoelektrisk enhet baserad på vår design, du kan driva cirka 200 100-watts glödlampor med spillvärmen från en bil, sade han. Med andra ord, man skulle kunna öka bilens effektivitet med långt över 25 procent, vilket skulle vara idealiskt för en hybrid eftersom den redan använder en elmotor."

Så, nästa gång du tittar på en röd sportbil som glider förbi, tänk på elektronens dolda kraft och hur mycket effektivare den sportbilen skulle kunna vara med en termoelektrisk enhet lindad runt avgasröret.