Maskiner och elektroniska apparater genererar ofta spillvärme som är svår att utnyttja. Om elektricitet kunde genereras från denna spillvärme, skulle det erbjuda ett sätt för en ren och hållbar kraftproduktion:En sådan teknik skulle vara idealiskt lämpad för elektroniktillämpningar med låg effekt som wearables eller billiga Internet-of-Things-enheter. Detta inkluderar till exempel bärbara (medicinska) apparater och sensorer, med ett brett spektrum av applikationer inom vård- och sportbranschen, i smarta byggnader och mobilitetsapplikationer.

Termoelektriska generatorer, maskiner som genererar elektricitet genom att utnyttja temperaturskillnader, finns redan men deras omvandlingseffektivitet är i allmänhet låg och endast lite el produceras. Att generera mer elektricitet skulle kräva material som samtidigt har hög elektrisk ledningsförmåga och låg värmeledningsförmåga. Dessa två krav utesluter dock ofta varandra.

Kvantprickar som lösning

Under de senaste åren har flera forskargrupper världen över visat att termoelektrisk omvandling kan förbättras avsevärt genom att utnyttja kvanteffekter. Till exempel, genom att använda kvantprickar som fungerar som mycket selektiva energifilter, har drastiska ökningar av omvandlingseffektiviteten rapporterats, vissa till och med närmar sig några av de gränser som sätts av termodynamikens lagar. Problemet:Kvantmaskinerna, även kallade kvantvärmemotorer, måste kylas ner till temperaturer några grader över den absoluta nollpunkten – så något sådant här är knappast användbart i vardagen.

Forskare vid Empa kanske kan övervinna detta problem och skapa en kvantvärmemotor som arbetar vid rumstemperatur. Mickael L. Perrin, en forskare vid Empa's Transport at Nanoscale lab ledd av Michel Calame, kom på idén att använda grafen nanorribbons – som är en Empa-specialitet. De allra första grafennanorbanden syntetiserades av en annan forskargrupp vid Empa:Roman Fasel och hans kollegor vid Empas Nanotech@Surfaces-labb. Sedan flera år tillbaka har Empa-forskarna arbetat med olika tillvägagångssätt för att skapa elektroniska enheter från sådana nanoband.

Drift vid rumstemperatur med grafen nanoband

Mickael L. Perrin kunde få grafen nanoband att bete sig som kvantprickar tidigare, med några av dem stabila upp till en temperatur på -123 grader Celsius, dvs vid mycket högre temperaturer än de kvantprickar som tidigare användes för termoelektrisk omvandling. Nu är målet att integrera sådana grafen-nanorband i en kvantvärmemotor och få den att fungera i rumstemperatur. Eftersom nanobanden bara är några få nanometer stora, kommer kontakt med dem att kräva utveckling av speciella tillverkningstekniker, som kommer att implementeras vid Binnig och Rohrer Nanotechnology Center i IBM Research Center i Rüschlikon. Dessutom kommer specialdesignade mätsystem att behövas för att karakterisera energiomvandlingseffektiviteten.

Om allt går som planerat kan Perrin skapa en liten värmemotor på ett chip under de kommande åren. Den skulle inte bara kunna generera elektricitet från spillvärme, utan omvänt, genom att vända på driftsprincipen, skulle den vara lämpad för effektiv kylning.

Med sina två framgångsrika forskningsanslag kommer Mickael L. Perrin att börja sin biträdande professur vid ETH Zürich, vid institutionen för informationsteknologi och elektroteknik, under de närmaste månaderna. Under de kommande åren kommer han att fortsätta sin forskning vid Empa, där toppmodern utrustning finns tillgänglig för termoelektrisk karakterisering av kvantvärmemotorer.

Förhoppningsvis bara en tillfällig lösning

Finansieringen för Perrins projekt kommer från SNSF och Statssekretariatet för utbildning, forskning och innovation (SERI). På grund av det misslyckade ramavtalet mellan Schweiz och EU är Schweiz uteslutet från det nuvarande europeiska forskningsprogrammet, Horizon Europe. För att gå in finansieras ERC Starting-anslag direkt av SERI i år. Detta är det enda sättet att behålla mycket begåvade unga forskare i Schweiz. För att få den tilldelade finansieringen direkt från EU skulle Mickael L. Perrin och de övriga 27 bidragstagarna från Schweiz behöva flytta till ett utländskt universitet som är en del av det europeiska forskningsområdet. + Utforska vidare

Ny teknisk-ekonomisk modell optimerar teknik för spillvärmekonvertering