(Phys.org)—För närvarande, upp till 75 % av energin som genereras av en bils motor går förlorad som spillvärme. I teorin, en del av denna spillvärme kan omvandlas till elektricitet med hjälp av termoelektriska anordningar, även om effektiviteten för dessa enheter hittills har varit för låg för att möjliggöra en omfattande kommersialisering.

Nu i en ny studie, fysiker har visat att en termoelektrisk anordning gjord av nanotrådar kan uppnå en tillräckligt hög effektivitet för att vara industriellt konkurrenskraftig, potentiellt leda till förbättringar av bränsleekonomin och andra tillämpningar.

Forskarna, Khandker A. Muttalib och Selman Hershfield, båda fysikprofessorerna vid University of Florida i Gainesville, har publicerat en artikel om den nya termoelektriska enheten i ett nyligen utgåva av Fysisk granskning tillämpas .

Förutom att återvinna energi från spillvärmen i förbränningsmotorer i fordon, termoelektriska anordningar kan också utföra liknande funktioner i fartygsmotorer, såväl som i kraftverk, tillverkar raffinaderier, och andra platser som producerar stora mängder spillvärme.

I deras tidning, forskarna förklarar att användningen av bulkmaterial i termoelektriska enheter har visat sig vara ineffektivt, men nanokonstruerade material verkar vara mer lovande. Den nya enheten består helt enkelt av två stora ledningar vid olika temperaturer sammankopplade av flera icke-interagerande, mycket tunna nanotrådar. Varje nanotråd överför ström från den varmare ledningen till den kallare ledningen, och många parallella nanotrådar kan skala upp kraften till höga nivåer.

En av de största utmaningarna som termoelektriska enheter står inför är att förhållandena som optimerar en enhets effektivitet och effekt är olika för olika temperaturgradienter mellan de två ledningarna samt för olika elektriska belastningar (hur mycket ström som förbrukas vid ett givet ögonblick). På grund av denna komplexitet, den optimala enheten för en viss temperaturgradient och belastning kanske inte fungerar lika bra för en annan temperaturgradient eller belastning.

Forskarna här hittade en väg runt detta problem genom att lägga på en spänning på nanotrådarna, vilket gör att kraft kan överföras längs nanotrådarna endast vid energier över ett visst värde. Detta värde beror på temperaturgradienten och belastningen, som varierar, men den pålagda spänningen kan också varieras för att justera kraftöverföringen och samtidigt optimera enhetens kraft och effektivitet.

Att använda nanotrådar för att koppla ihop ledningarna har också en praktisk fördel jämfört med att använda andra material. Medan många andra kandidatmaterial är svåra att tillverka tillförlitligt, nanotrådar kan tillverkas pålitligt och kontrollerbart, vilket är viktigt för att förverkliga de exakta optimala dimensionerna.

Även om fysikernas teoretiska analys tyder på att den föreslagna enheten kan ha betydande prestandafördelar jämfört med nuvarande enheter, de varnar för att det är för tidigt att göra några definitiva uppskattningar.

"Varje uppskattning som helst vid denna tidpunkt kommer att vara opålitlig eftersom det finns så många sätt att förlora värme i någon praktisk enhet som vårt teoretiska förslag inte tar hänsyn till, " berättade Muttalib Phys.org . "Även då, vi gav en mycket grov uppskattning i vår tidning där både verkningsgraden och uteffekten kan ställas in (med en gate-spänning) för att vara betydligt större än någon kommersiell enhet tillgänglig för närvarande. Observera att det finns andra teoretiska förslag med stor effektivitet men utan tillräcklig kraft, och därför inte praktiskt användbar."

Viktigast, fysikerna hoppas att de nya idéer som presenteras här kan inspirera till nya sätt att tänka om termoelektrisk teknik.

"Den kanske största betydelsen är ett eventuellt paradigmskifte i designen av termoelektriska enheter, " sade Muttalib. "För närvarande, samhällets fokus ligger överväldigande i den så kallade "linjära responsen"-regimen (där temperaturen och spänningsgradienterna över materialet som förbinder de varma och kalla ledningarna är små); prestandan hos sådana anordningar beror enbart på egenskaperna hos anslutningsmaterialet. Detta har hållit de nuvarande ansträngningarna begränsade till att hitta eller designa ett "bra" termoelektriskt material. Vårt arbete tyder på att i den "icke-linjära" regimen, enhetens prestanda beror också mycket på parametrarna för ledningarna och belastningarna; optimering av prestanda i sådana fall har många fler intressanta möjligheter att utforska."

Även om detta arbete erbjuder många nya möjliga riktningar för framtida forskning, Muttalib och Hershfield hoppas att det blir andra forskare som driver tekniken framåt.

"Vi är båda teoretiska fysiker som forskar inom grundläggande vetenskaper, och i synnerhet är vi inte experter på enhetsteknik, " sade Muttalib. "Vi snubblade över den nuvarande idén när vi försökte förstå effekterna av icke-linjär respons på elektrontransport i nanosystem. Vi hoppas att experimentalister och enhetsingenjörer kommer att tycka att vårt arbete är intressant och kommer att fortsätta med det för att bygga en verklig enhet. Vår nästa plan i detta allmänna område är att förstå, återigen på en mycket grundläggande teoretisk nivå, effekterna av fononer eller gittervibrationer i nanosystem i allmänhet; Dessa effekter är kända för att vara viktiga för termoelektriska enheter också."

Den nanotrådsbaserade termoelektriska enheten är inte den enda nya termoelektriska designen som dykt upp nyligen. I samma nummer av Fysisk granskning tillämpas , Riccardo Bosisio, et al., vid Service de Physique de l'Etat Condensé i Frankrike har utvecklat en termoelektrisk anordning där elektronerna färdas genom nanotrådarna genom "fononassisterad hoppning, " där fononerna är vibrationer som bär värme.

© 2015 Phys.org