(Phys.org) - Forskare utvecklar en teknik som använder nanoteknik för att skörda energi från heta rör eller motorkomponenter för att potentiellt återvinna energi som går till spillo i fabriker, kraftverk och bilar.

"Den fula sanningen är att 58 procent av energin som genereras i USA går till spillo som värme, "sa Yue Wu, en assisterande professor i kemiteknik vid Purdue University. "Om vi ​​kunde få tillbaka bara 10 procent så skulle vi kunna minska energiförbrukningen och kraftverkets utsläpp avsevärt."

Forskare har belagda glasfibrer med ett nytt "termoelektriskt" material som de utvecklat. När termoelektriska material värms på ena sidan flyter elektroner till den svalare sidan, genererar en elektrisk ström.

Belagda fibrer kan också användas för att skapa en solid-state-kylteknik som inte kräver kompressorer och kemiska köldmedier. Fibrerna kan vävas in i ett tyg för att göra kylplagg.

Glasfibrerna doppas i en lösning som innehåller nanokristaller av blytellurid och utsätts sedan för värme i en process som kallas glödgning för att smälta ihop kristallerna.

Sådana fibrer kan lindas runt industrirör i fabriker och kraftverk, liksom på bilmotorer och bilavgassystem, att återta mycket av den bortkastade energin. "Energihörning" -tekniken kan dramatiskt minska hur mycket värme som går förlorad, Wu sa.

Resultaten beskrivs i en forskningsartikel som visades förra månaden i tidningen Nano bokstäver. Tidningen skrevs av Daxin Liang, en tidigare Purdue -utbytesstudent från Jilin University i Kina; Purdue doktorander Scott Finefrock och Haoran Yang; och Wu.

Dagens högpresterande termoelektriska material är spröda, och anordningarna är formade av stora skivor eller block.

"Denna typ av tillverkningsmetod kräver att man använder mycket material, "Sa Wu.

De nya flexibla anordningarna skulle överensstämma med de oregelbundna formerna på motorer och avgasrör samtidigt som de använder en liten del av det material som krävs för konventionella termoelektriska enheter.

"Detta tillvägagångssätt ger samma prestandanivå som konventionella termoelektriska material men det kräver användning av mycket mindre material, vilket leder till lägre kostnad och är praktiskt för massproduktion, "Sa Wu.

Det nya tillvägagångssättet lovar en metod som kan skalas upp till industriella processer, gör massproduktion genomförbar.

"Vi har visat ett material som består mestadels av glas med bara en 300-nanometer tjock beläggning av blytellurid, "Sa Finefrock." Så medan dagens termoelektriska enheter kräver stora mängder av det dyra elementet tellur, vårt material innehåller bara 5 procent tellur. Vi ser för oss massproduktionstillverkning för att snabbt belägga fibrerna i en rulle-till-rulle-process. "

Förutom att generera el när den utsätts för värme, materialen kan också drivas på ett omvänt sätt:Genom att tillföra en elektrisk ström får den att absorbera värme, representerar en möjlig solid-state luftkonditioneringsmetod. Sådana fibrer kan en dag vävas in i kylplagg eller användas i annan kylteknik.

Forskarna har visat att materialet har en lovande termoelektrisk effektivitet, som mäts med hjälp av en formel för att bestämma en måttenhet som kallas ZT. En viktig del av formeln är "Seebeck -koefficienten, "uppkallad efter den tyska fysikern Thomas Seebeck från 1800 -talet, som upptäckte den termoelektriska effekten.

ZT definieras av Seebeck -koefficienten, tillsammans med materialets elektriska och värmeledningsförmåga och andra faktorer. Med låg värmeledningsförmåga, en hög Seebeck -koefficient och elektrisk konduktivitet resulterar i ett högt ZT -tal.

"Det är svårt att optimera alla dessa tre parametrar samtidigt, för om du ökar elektrisk konduktivitet, och värmeledningsförmågan ökar, Seebeck -koefficienten sjunker, "Sa Wu.

De flesta termoelektriska material för kommersiellt bruk har en ZT på 1 eller lägre. Dock, nanostrukturerade material kan användas för att minska värmeledningsförmågan och öka ZT -antalet.

Purdue -forskarna har använt ZT -numret för att beräkna den maximala effektivitet som teoretiskt är möjligt med ett material.

"Vi analyserar det materiella överflödet, kostnaden, toxicitet och prestanda, och vi etablerade en enda parameter som kallas effektivitetsförhållandet, "Sa Wu.

Även om högpresterande termoelektriska material har utvecklats, materialen är inte praktiska för utbredda industriella tillämpningar.

"Dagens högre prestanda har en komplicerad komposition, gör dem dyra och svåra att tillverka, "Wu sa." Också, de innehåller giftiga material, som antimon, som begränsar termoelektrisk forskning. "

Nanokristallerna är en kritisk ingrediens, delvis eftersom gränssnitten mellan de små kristallerna tjänar till att undertrycka vibrationerna i kristallgitterstrukturen, minska värmeledningsförmågan. Materialen kan uppvisa "kvantbegränsning, "där strukturerna är så små att de beter sig nästan som enskilda atomer.

"Detta innebär att, som elektroner bär värme genom strukturerna, medelspänningen för de värmebärande elektronerna är högre än den skulle vara i större strukturer, "Sa Finefrock." Eftersom du har elektroner med högre spänning, du kan generera mer kraft. "

Denna inneslutning kan höja ZT -talet.

En amerikansk patentansökan har lämnats in för fiberbeläggningskonceptet.

Framtida arbete kan fokusera på högre temperaturglödgning för att förbättra effektiviteten, och forskarna undersöker också en annan metod för att helt eliminera glödgning, vilket kan göra det möjligt att belägga polymerfibrer istället för glas.

"Polymerer kan vävas in i en bärbar enhet som kan vara ett kylplagg, "Sa Wu.

Forskarna kan också arbeta för att belägga glasfibrerna med en polymer för att förbättra det termoelektriska materialets motståndskraft, som tenderar att utveckla små sprickor när fibrerna böjs i skarpa vinklar.

Forskare demonstrerade konceptet med ett experiment med ett system som innehåller rör med olika diametrar kapslade inuti ett större rör. Varmt vatten rinner genom ett centralt rör och kallare vatten rinner genom ett yttre rör, med ett lager av termoelektriskt material mellan de två.

Purdue -forskarna utforskar också andra material istället för bly och tellur, som är giftiga, och preliminära fynd tyder på att dessa nya material har ett högt ZT -värde.

"Självklart, det faktum att vår process använder en så liten mängd material - ett skikt som bara är 300 nanometer tjockt - minimerar problemet med toxicitet, "Wu sa." Men Vi koncentrerar oss också på material som är giftfria och rikliga. "