thermodynamica

Een experimentele chip met de technologie. Bron/copyright: University of Arkansas, 2020

Chip wekt energie op uit warmte

Laat een reactie achter / natuurkunde, Techniek, Wetenschap / Door / 5 oktober 2020

Een team natuurkundigen van de universiteit van Arkansas is er naar eigen zeggen in geslaagd om energie uit afvalwarmte op te wekken. Hun ontwerp maakt gebruik van de Brownse beweging: de willekeurige bewegingen op microscopische schaal door lokale oneffenheden. Hebben ze de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica gekraakt?

Wat is de Brownse beweging? 
Wat op macroschaal een oase van rust lijkt, is dat allesbehalve. De moleculen in lucht hebben alle verschillende snelheden en richtingen. Wat wij waarnemen is het gemiddelde van ontelbare miljarden moleculen die ons onophoudelijk treffen. Dit gemiddelde nemen we waar als luchtdruk. Op kleinere schaal, kleiner dan een micrometer, is er geen stabiel evenwicht meer. Geregeld treffen meer (of juist minder) moleculen het deeltje in de ene richting, dan in de tegenovergestelde richting. Als gevolg hiervan maakt het stofje een wanordelijke beweging. Deze Brownse beweging is met een microscoop waar te nemen aan bijvoorbeeld rookdeeltjes.

Een experimentele chip met de technologie. Bron/copyright: University of Arkansas, 2020
Een experimentele chip met de technologie. Bron/copyright: University of Arkansas, 2020

Hoe kan je hier energie uit opwekken? 
Alles wat beweegt, kan je gebruiken om elektriciteit mee op te wekken. Stel,. je zou aan het rookdeeltje een minuscule dynamo of andere generator bevestigen, dan kan je er in theorie stroom mee opwekken. Op het eerste gezicht lijkt dit een perpetuüm mobile van de tweede categorie: een machine die warmte onttrekt aan de omgeving waarmee iets nuttigs is te doen. Een dergelijk apparaat is erg handig: je kan dan je stroomabonnement opzeggen en je smartphone hoeft nooit meer aan de lader. Kortom; het klinkt te mooi om waar te zijn en dat is het ook. Want de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica verbiedt dat er bij een energieomzetting vrije energie bij komt. Of is er toch hoop?

Ja, zo blijkt uit een experiment met grafeen aan de universiteit van Arkansas. In de proefopstelling wordt het eigenlijke werk verricht door twee blaadjes grafeen tegenover elkaar. Deze één atoomlaag dikke koolstofblaadjes ‘wapperen’ voortdurend onder invloed van de Brownse beweging. Omdat ze tegenover elkaar zijn geplaatst, werken ze als een condensator. Als ze elkaar naderen, neemt de lading op beide plaatjes toe, als ze van elkaar verwijderd raken, stroomt deze weg. In de opstelling zijn twee diodes opgenomen: elektronische componenten die alleen eenrichtingsverkeer toelaten. De “gevangen” elektronen kunnen alleen via de energie-oogster (bijvoorbeeld een accu) terugvloeien. Het netto resultaat: warmte wordt omgezet in elektriciteit.

En de Tweede Hoofdwet dan?
De specifieke versie van de Tweede Hoofdwet: er ontstaan niet uit zichzelf temperatuursverschillen, lijkt met deze proefopstelling niet gebroken volgens onderzoeksleider Thibado. Op grotere schaal lijkt op het eerste gezicht echter wel degelijk sprake van een schending. Immers, als de proefopstelling afkoelt omdat er energie aan onttrokken wordt, ontstaat er wel degelijk uit het niets een temperatuursverschil met de rest van het universum. Ook is het geleverde vermogen laag, in de orde van picowatts. Zeg voorlopig dus uw elektriciteitsleverancier niet op. Maar als proof of principe is deze ontdekking uiterst belangrijk.
Het artikel is gepubliceerd in Physics Review E, een vooraanstaand natuurkundeblad.

Bronnen
Physicists Build Circuit That Generates Clean, Limitless Power From Graphene, University of Arkansas, 2020
Fluctuation-induced current from freestanding graphene, P. M. Thibado, P. Kumar, Surendra Singh, M. Ruiz-Garcia, A. Lasanta, and L. L. Bonilla, Phys. Rev. E 102, 042101
(ArXiv preprint versie)

Het anti-zonnepaneel levert een beetje energie in de nacht. Bron: Stanford University

“Anti-zonnepaneel” wekt ’s nachts energie op

Laat een reactie achter / Ideeën, natuurkunde, Techniek, Visionaire projecten, Wetenschap / Door / 15 november 2019

Zonnepanelen leveren alleen overdag energie op, want dan schijnt de zon. Dit is een belangrijke beperking aan zonnepanelen. Niet meer, zo lijkt het. Want nu zijn anti-zonnepanelen ontwikkeld die juist de meeste energie opwekken ’s nachts. Energie uit het Niets? In zekere zin: ja.

Zonnepanelen en thermodynamica
Er is een eenvoudige formule, waarmee het maximale rendement is te berekenen van een temperatuursuitwisseling: 100% * (Theet – Tkoud / Theet ). In woorden: het maximale rendement is gelijk aan het temperatuursverschil, gedeeld door de absoluut heetste temperatuur. In zekere zin maken zonnepanelen gebruik van het verschil in temperatuur tussen het zonneoppervlak en de aardoppervlakte. De oppervlakte van de zon is gloeiend heet, rond de zesduizend graden kelvin. De aardoppervlakte ligt in temperatuur iets onder de driehonderd kelvin (300 – 273 = 27 graden) . In theorie kunnen zonnepanelen daarom tot 95% van alle zonlicht in vrije energie omzetten, als ze perfect zouden werken: (6000-300)/6000 = 0,95. (Uiteraard haalt het gemiddelde zonnepaneel maar 15-23 procent, de absolute recordhouder in het lab behaalt 47,1 %.) [1]

Het anti-zonnepaneel levert een beetje energie in de nacht. Bron: Stanford University
Het anti-zonnepaneel levert een beetje energie in de nacht. Bron: Stanford University

Anti-zonnepanelen
Dit principe kan ook andersom werken. Onze aardoppervlakte heeft weliswaar een temperatuur van die driehonderd kelvin, maar de achtergrondtemperatuur van het heelal is maar 2,7 kelvin. Honderd maal zo laag dus. Een perfecte ‘heat engine’ zou daarmee zelfs 99% energieomzetting kunnen bereiken door dit warmteverschil af te tappen en de warmte het heelal in te pompen.

De anti-zonnecel produceert een beetje stroom, omdat de thermo-elektrische generator het warmteverschil tussen de koude radiatorplaat en de hetere ondergrond, aftapt. Bron: Stanford University
De anti-zonnecel produceert een beetje stroom, omdat de thermo-elektrische generator het warmteverschil tussen de koude radiatorplaat en de hetere ondergrond, aftapt. Bron: Stanford University

Dat laatste is ongeveer wat hier gebeurt. Anti-zonnepanelen koelen af door ’s nachts grote hoeveelheden warmte uit te stralen, het universum in, waardoor een warmteverschil ontstaat. Dit warmteverschil kan af worden getapt door in dit geval een materiaal dat spanningsverschillen produceert uit temperatuursverschillen. Zie diagram.

LEDje
Erg indrukwekkend is de opbrengst van het anti-zonnepaneel nog niet.  Eén vierkante meter radiatieve koeler (een zwart, goed warmte geleidend oppervlak) produceert een schamele 25 milliwatt. Dit is net genoeg om een klein ledje te laten branden. De onderzoekers zijn desalniettemin optimistisch. Ze denken dat het mogelijk is de opbrengst toe te laten nemen tot 500 milliwatt per vierkante meter. Vergeleken met een zonnepaneel is dat niet veel. Een zonnepaneel haalt toch al gauw boven de 100 watt per vierkante meter, 200 maal zoveel. Wel kan dit systeem kleine stroomgebruikers, zoals sensors, continu van stroom voorzien. Dat maakt het systeem toch interessant om door te ontwikkelen. Al is het maar, zoals de onderzoekers al opmerken, dat het opmerkelijk grappig is is om licht uit de duisternis op te wekken.

Bronnen:
1. Best Solar Efficiencies (.pdf)
2. Aaswath P. Raman, Wei Li en Shanhui Fan, Generating Light from Darkness, Joule, 2019, DOI:https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.08.009

Computergegenereerd beeld van de koude woestijn van proxima Centauri b. Bron: SpaceEngine

Bevinden buitenaardsen zich in een winterslaap?

7 reacties / Analyses, biologie, Ideeën, natuurkunde, Universum, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 4 juni 2017

In een recente publicatie van futuroloog Anders Sandberg en exobioloog Milan Ćirković opperen de twee denkers een nieuwe verklaring voor de Fermi Paradox. Aliens houden zich schuil, omdat ze daarmee energie sparen voor de toekomst. Is dit inderdaad een waarschijnlijke verklaring?

De toekomst als energie-walhalla
Het heelal zet uit, en dit (althans volgens de huidige stand van inzicht), steeds sneller. Op het eerste  gezicht lijkt dit uitermate slecht nieuws voor een beschaving op kosmisch niveau. Energiebronnen, zoals sterren en gaswolken, raken steeds verder van elkaar verspreid. Daardoor zijn op een gegeven moment alleen de lokale galactische supercluster, voor de beschaving te benutten. De rest verwijdert zich sneller dan de lichtsnelheid van hen af.

Toch heeft dit toekomstige heelal een erg aantrekkelijke kant. Het is erg koud. Op dit moment is de achtergrondstraling 2,7 kelvin. In de echt verre toekomst (we praten dan over duizenden miljarden jaren na nu) is deze achtergrondtemperatuur enkele nanokelvins. Dat is erg fijn, want dan kan je veel meer entropie dumpen dan nu. En wel hierom.


Fotonen bevatten per foton dezelfde hoeveelheid informatie, maar een verschillende hoeveelheid energie. Dat betekent dat je met 2 elektronvolt één lichtfoton kan maken, maar duizenden radiofotonen. Heb je een computer die zijn entropie met deze radiofotonen kan dumpen, dan kan deze per kilowattuur energie duizenden malen meer berekeningen uitvoeren dan een computer die zijn entropie met lichtfotonen dumpt. Hoe lager de kosmische achtergrondtemperatuur, hoe minder energie fotonen hoeven te hebben om entropie mee te dumpen. Met andere woorden: computers worden in de verre toekomst veel zuiniger dan nu.

Deze aliens hebben hun lichaam verlaten, maar bestaan slechts in een virtuele wereld, als informatie. Zo kunnen ze in de verre toekomst veel zuiniger leven dan wij nu. De redenen dat we weinig van aliens merken, aldus deze theoretici, heeft alles met thermodynamica te maken. Tot de omstandigheden elders in het heelal beter, lees: veel kouder worden, zouden ze zich schuilhouden rond de enorme, zeer koude, zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels, waarin de supercomputers waarin ze leven hun entropie kunnen dumpen. Thermodynamisch gezien is er geen speld tussen te krijgen. Maar hebben ze gelijk?

Probleem: exopolitiek en de Singulariteit
De winterslaap is ook op aarde een geliefde overlevingsstrategie onder dieren om de ongunstige winteromstandigheden in koude gebieden te overleven. Echter; een geavanceerde beschaving is geen dier. De voornaamste existentiële bedreiging voor een buitenaardse beschaving is niet de kosmische winter, maar een andere buitenaardse beschaving op een superieur technisch peil. Vraag de nakomelingen van de Inca’s en de Azteken maar. Om een superieur technisch peil te bereiken, moet de exobeschaving veel energie verbruiken voor wetenschappelijk onderzoek. In ieder geval in de eigen galactische supercluster moet de beschaving er zeker van zijn dat er geen concurrerende beschavingen zich ontwikkelen, die hun beschaving de kant van de Azteken en Inca’s op laat gaan.

Het venster waarbinnen concurrerende beschavingen kunnen worden waargenomen tot het moment dat ze een Singulariteit doormaken – het punt waarop machines slimmer worden dan biologische wezens en de collectieve intelligentie explodeert – is naar kosmische maatstaven klein: ongeveer 150 jaar. In principe zal een geavanceerde beschaving daarom in elk planetenstelsel waarbinnen zich mogelijk hogere levensvormen kunnen ontwikkelen,  luisterposten inrichten, zodat een gevaarlijke bedreiging in een vroeg stadium uitgeschakeld kan worden, dan wel geïntegreerd in een intergalactische federatie voor zich deze gevaarlijke en onvoorspelbare technologische singulariteit ontwikkelt.

Bronnen
1. Anders Sandberg en Milan Ćirković, That is not dead which can eternal lie: the aestivation hypothesis for resolving Fermi’s paradox, ArXiv preprint server, 2017

De proefopstelling. Bron: [1]

‘Tijdpijl bestaat ook op kwantumniveau’

4 reacties / Ideeën en techniek, natuurkunde, Wetenschap / Door / 3 december 2015
De vergelijkingen van de kwantummechanica hebben geen tijdpijl: zijn omkeerbaar in de tijd. Lange tijd werd daarom gedacht dat entropie, ruwweg te vertalen als wanorde, alleen op grotere schaal voorkomt. Dat blijkt niet te kloppen.

Tijdpijl aangetroffen
Het is erg lastig om thermodynamische processen in een kwantumsyteem waar te nemen. Tot nu toe is dit daarom niet gedaan. In een experiment maten de onderzoekers de verandering in entropie die optreedt, als het koolstofatoom dat het hart vormt van CCl4, het chloroformmolecuul, blootgesteld worden aan een wisselend magnetisch veld. Het chloroform werd gekoeld tot vlak bij het absolute nulpunt.
De proefopstelling. Bron: [1]
De proefopstelling. Bron: [1]

Voor dit experiment maakten de onderzoekers gebruik van koolstof met een extra neutron in de kern, 13C in plaats van de ‘normale’ 12C dus. Atoomkernen kunnen twee verschillende richtingen op tollen: de spin. Dit komt neer op: met het magnetische veld mee of er tegenin.

Atomen springen naar de laagste energietoestand, waarin de spin evenwijdig is met het magnetische veld. Als het magnetisch veld ompoolt, flippen ook de atoomkernen mee. In het experiment verliep dit proces extreem snel, zodat de atoomkernen het niet direct bij konden houden.

Als het omkeren van de procedure mogelijk was, zou de spin zijn oorspronkelijke waarde weer aan hebben genomen, maar interessant genoeg gebeurde dat niet. De metingen aan de spin wezen er op dat de entropie was toegenomen. Klaarblijkelijk is dit kwantum-thermodynamische systeem irreversibel (niet-omkeerbaar). Dit op atoomkernniveau. Met andere woorden: een tijdpijl op kwantumniveau. Iets wat niet wordt voorspeld door de kwantummechanica.

Waar komt deze tijdpijl vandaan?
De kwantummechanische vergelijkingen, zoals de Schrödingervergelijking, zijn alle volstrekt omkeerbaar. Hoe komt met dat zelfs op het niveau van een enkele atoomkern er toename in de entropie ontstaat? Welke onbekende natuurwet is hier verantwoordelijk voor?

‘Kwantummechanische formules alleen geldig bij evenwicht’
Volgens de onderzoekers is het antwoord op deze vraag: de afhankelijkheid van de beginvoorwaarden. In een systeem waarom geen entropietoename mogelijk is, gelden de formules zonder meer. Als een systeem ver uit evenwicht is, zoals in dit experiment, zullen onomkeerbare processen optreden. Wat de onomkeerbaarheid precies veroorzaakt en de tijdpijl tot leven wekt, blijkt niet uit dit experiment.

Uit fundamenteel-wetenschappelijk oogpunt is dit onderzoek buitengewoon interessant en zal tot talrijke nieuwe ontdekkingen en technieken leiden. Helaas kijken de toekenners van onderzoeksbudget voornamelijk naar de onmiddelijk praktische toepasbaarheid. De onderzoekers denken dat dit nieuwe inzicht nuttig is voor het ontwikkelen van kwantumtechnologie, die de beperkingen van klassieke technologie kan overwinnen. Nu technologie steeds kleiner wordt (Silicon Valley hanteert nu een roadmap waarin rond 2020 de minimum afstand in een chip kleiner wordt dan 7 nanometer (rond de 35 atoombreedtes)), is inzicht in kwantummechanische processen van fundamenteel belang. Dat geldt ook voor andere nanotechnologie.

Bron:
1. T. B. Batalhão, et al. “Irreversibility and the Arrow of Time in a Quenched Quantum System.” Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.190601
Het 'lopend eiwit' kinesine in actie, terwijl het over een microtubulus, een transportstructuur in een cel, 'loopt'. Bron: Wikimedia Commons

Eiwitten met chemisch geheugen

1 reactie / Analyses, Wetenschap / Door / 18 oktober 2012

De effectiefste machines hebben een geheugen. Resultaten uit het verleden bieden namelijk de beste aanwijzing voor wat er in de toekomst kan gebeuren. Dat is de conclusie van een theoretische studie door Susanne Still, een informatica aan de universiteit van Hawaii (Manoa) en haar collega’s. De uitkomst va dit onderzoek geldt in principe voor alle “machines”, variërend van eiwitten tot complexe computers, aldus Nature News.

Het 'lopend eiwit' kinesine in actie, terwijl het over een microtubulus, een transportstructuur in een cel, 'loopt'. Bron: Wikimedia Commons
Het ‘lopend eiwit’ kinesine in actie, terwijl het over een microtubulus, een transportstructuur in een cel, ‘loopt’. Bron: Wikimedia Commons

Als een machine onthoudt wat er mee in het verleden is gebeurt, stelt dit de machine in staat zich voor te bereiden, m.a.w. aan te passen aan toekomstige omstandigheden. Susanne Still zegt geïnspireerd te zijn geraakt door haar danshobby, en sport in het algemeen, waarbij inderdaad een betere beweging staat of valt met een goede (mentale) voorbereiding. Toch moet voor elke machine steeds de afweging worden gemaakt, hoeveel energie kan worden besteed aan het opslaan van informatie. Alleen zeer specifieke informatie is nuttig om de toekomst mee te voorspellen. Een ‘machine’ moet dus een selectie maken.

Dit probleem lijkt erg op het probleem dat ook optreedt bij het ontwikkelen van een model. Een goed model bevat alleen de essentie van hetgeen onderzocht moet worden. Een goed model ontwikkelen is de kunst van het weglaten.  Tegelijkertijd lever je bij elke vereenvoudiging nauwkeurigheid in. Het vergt een zorgvuldige afweging, hoeveel nauwkeurigheid kan worden ingeleverd in ruil voor minder complexiteit in het verklarende model (en dus hoe zuinig dit model met informatieverwerking kan omspringen). Voor bijvoorbeeld een ‘slimme’ auto op de weg, waar je desnoods een hele batterij harde schijven kan inbouwen, is dit vanzelfsprekend veel minder een probleem dan voor een moleculair machientje, bijvoorbeeld een motor-eiwit.

Een ander leuk aanknopingspunt is dat dit model in feite impliciet Occam’s scheermes inhoudt. Het model dat het beste aan Occams scheermes voldoet, d.w.z. het eenvoudigste is, is het meest praktische. Ze hoopt dat kennis van de relatie tussen energieverbruik, voorspellendvermogen en geheugen wetenschappers helpt om algoritmen te ontwikkelen die helpen, modellen te vereenvoudigen.

De inverter. Hiermee keerden de onderzoekers de warmtestroom om. Bron: onderzoekers

Rekenen met warmte

3 reacties / Techniek / Door / 11 mei 2012

Warmte is in moderne elektronica gevreesd en ongewenst. Nu processoren en geheugens steeds kleiner worden, wordt afvalwarmte een steeds groter problem. Maar wat als de warmte juist wordt gebruikt om me te rekenen? Een aantal onderzoekers hebben nu aangetoond dat het kan. Dit opent de deur naar thermische computers die op lichaamswarmte of andere bronnen van afvalwarmte werken.

Warmtestromen
Warmte stroomt van heet naar koud. Dat betekent dat er zich voortdurend warmtestromen voordoen. Waar elektriciteit uit elektronen bestaaat, bestaat warmte uit elementaire trillingen die een soort pseudodeeltjes vormen: fononen. Een metalen staaf gedraagt zich dan bijvoorbeeld als warmtegeleider (stoffen die goed elektriciteit geleiden zijn vaak ook goede warmtegeleiders). Dit stroomgedrag is precies voorspelbaar en met voorspelbare, manipuleerbare processen kan je rekenen. Dus in principe is het ook mogelijk om met warmte te rekenen.

De inverter. Hiermee keerden de onderzoekers de warmtestroom om. Bron: onderzoekers
De inverter. Hiermee keerden de onderzoekers de warmtestroom om. Bron: onderzoekers

Metamaterialen
Wat de mogelijkheden nog vergroot, is dat materialen warmte op heel verschillende manier kunnen geleiden. Als je bijvoorbeeld laagjes warmtegeleider en warmteisolator stapelt, zal het materiaal warmte vooral richting zijkanten geleiden. Je kan ook denken aan warmtetransistoren: een schakelaar die als deze warmer wordt, een isolerende ruimte vergroot of juist laat verdwijnen. Vergeleken met elektronica zullen dit behoorlijk grote en zeer langzame dingen zijn, elektriciteit beweegt met bijna de lichtsnelheid en warmte met hooguit centimeters per seconde, maar in principe kan je hier een computerachtig ding mee bouwen. Yuki Sato van Harvard, één van de auteurs, zegt dan ook dat warmtestromen in principe net zo te manipuleren zijn als elektriciteit. In zijn nieuwe onderzoek bestudeert hij metamaterialen, waarvan de thermische geleidbaarheid zeer complex is te maken.

Sato en collega Supradeep Narayana deden precies dat. Hun eenvoudigste demonstratie is een thermisch schild: een themisch onderdeel dat warmte uit een bepaald gebied uitsluit. Dit onderdeel bestaat uit een grote cilinder, zo groot als een grote batterij, die bestat uit veertig concentrische lagen natuurrubber en met boornitride gedoopte siliconenrubber. Het tweetal experimenteerde met het onderdeel in warmtegeleidende gel, waarin een temperatuursgradiënt aanwezig was. Zonder dit hitteschild zou de warmte van heet naar koud gestroomd zijn.  Ook bouwden ze een concentrator, die de warmtestroom opzoog. De meest interessante toepassing was de inverter, waarbij de richting van de warmtestroom tot 180 graden om werd gedraaid.

Rekenen met warmte
Van dit begin verdergaan tot een schakeling die ook echt berekeningen kan uitvoeren is een grote stap. Maar niet een onmogelijke stap, aldus Sato. Er bestaan al materialen waarvan de warmtegeleidbaarheid afhangt van de temperatuur. Als dergelijke materialen in de inverter worden gebruikt, dan zou de warmtestroom alleen worden doorgelaten als de omgeving warm genoeg is. De basis voor thermische computers, aldus Sato. Een thermische computer is Turing-compleet en zou dus voor dezelfde dingen kunnen worden gebruikt als een elektrische computer (al zal deze veel langzamer zijn). Eén voordeel vaan een thermische computer is dat deze rechtstreeks afvalwarmte benut om mee te rekenen en zo energie zou kunnen besparen.

Warmtecomputer robuust, maar erg log en langzaam
Dit voordeel  is echter uiterst beperkt: warmtestromen zijn het gevolg van een entropisch proces, de fononen bewegen in tegenstelling tot elektronen kriskras door elkaar, dus veel langzamer en logger dan elektrische stromen (die door een spanningsverschil worden opgewekt), al werken vaste-stof fysici al met fononen en oppervlakte-plasmonen (trillingen in elektronenplasma) op nanoschaal. Deze bewegen soms met zeer hoge snelheden. We hebben ook de voordelen van tientallen jaren elektrische productontwikkeling nog niet. In principe kan een zuinige elektrische schakeling gecombineerd met bijvoorbeeld een thermokoppel die het warmteverschil aftapt en in stroom omzet, de prestaties van de thermische computer, ook wat betreft energieverbruik, daarom verre overtreffen. Er zijn twee toepassingsgebieden waar thermische computers toch interessant kunnen zijn. Ten eerste daar waar sterke elektrische stoorvelden aanwezig zijn die elektronische schakelingen door laten branden en ten tweede waar grote hoeveelheden ioniserende straling aanwezig zijn. Met andere woorden: ruimtevaart, kerncentrales en backupsystemen na een EMP-aanval. Ook kunnen thermische computers interessant zijn voor sensoren.

Wel moeten er nogal wat praktische hordes genomen worden. Anders dan elektriciteit, die door geleiding, inductie (via een magnetisch veld) en door vacuüm bwegende elektronen kan worden overgedragen, kan warmte door drie processen worden overgedragen: geleiding, stroming en straling. Het zal nog de nodige kunstgrepen vergen om uit te sluiten dat er ongewenst warmtetransport plaatsvindt.

Bron
Supradeep Narayana en Yuki Sato, heat flux manipulation with engineered thermal materials, Phy. Rev. Ltrs, 2012 (in press)

Door het temperatuursverschil ontstaan er twee draaikolken, die samen een magnetisch veld opwekken.

Nieuw principe om energie op te wekken ontdekt

4 reacties / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 3 augustus 2011

Onderzoekers van het Californische Berkeley Lab en collega’s van andere onderzoeksinstellingen hebben een verband ontdekt  tussen elektromagnetische velden en verschillen in temperatuur. Dit kan leiden tot efficiëntere manieren om elektriciteit in warmte om te zetten of warmte in elektriciteit.

Elektriciteit uit warmte
Stel je voor: stroom uit je kachel. Thermische vermogensopwekking (thermopower), het vermogen om temperatuursverschillen direct in energie om te zetten zonder allerlei energieverslindende tussenstappen – is buitengewoon veelbelovend, aldus onderzoeksleider en professor materiaalkunde aan de universiteit van Berkeley, Junqiao Wu. Dit nieuwe effect is tot nu toe over het hoofd gezien door andere onderzoekers en kan volgens Wu de efficiency van thermische vermogensopwekking flink vergroten.

De ontdekking van het team komt er op neer dat door temperatuursverschillen in halfgeleiders elektrische draaikolken ontstaan. Tegelijkertijd hiermee ontstaan magnetische velden loodrecht op zowel het vlak waarin de draaiende elektrische stromen zich voordoen als de richting van de temperatuursgradient. Zie afbeelding.

Volgens Wu zijn er vier bekende effecten die warmte, elektrische en magnetische velden met elkaar verbinden – bijvoorbeeld het bekende Hall effect: het ontstaan van spanning in een elektrische geleider loodrecht op een magnetisch veld, maar nu voor het eerst is het magnetische veld een gevolg, geen  input van te voren. Ze gebruikten het elektrische veld en de temperatuursgradiënt als inputs om een magnetisch veld te genereren.

Door het temperatuursverschil ontstaan er twee draaikolken, die samen een magnetisch veld opwekken.
Door het temperatuursverschil ontstaan er twee draaikolken, die samen een magnetisch veld opwekken.

Om de mogelijkheden te onderzoeken, modelleerden de onderzoekers een testopstelling van twee lagen silicium: een dunne, negatief gedoopte laag met een overschot aan elektronen en een dikkere, positief gedoopte laag met veel ontbrekende elektronen, ‘gaten’ (die zich als positief geladen deeltjes gedragen).  Op de plek waar de P-laag en de N-laag elkaar ontmoeten ontstaat een derde, elektronische laag, een P-N verbinding. Deze ‘laag’ vormt zich automatisch omdat in het grensgebied de gaten richting de N-laag migreren en de elektronen richting de P-laag, waardoor er in de grenslaag, de ‘depletielaag’, geen ladingen meer zijn. Dit heeft als effect dat het elektrisch veld het sterkst is in de buurt van deze grenslaag.

Volgens Wu kan elektrische stroom op drie verschillende manieren ontstaan. Diffusie, waarbij deeltjes uit een gebied met veel deeltjes naar een minder dichtbevolkt gebied bewegen, de van de middelbare school welbekende spanningsverschillen, waardoor elektronen van negatief naar positief stromen en – nu wordt het interessant – een derde type stroom, waarbij de elektronen van het hete einde van een voorwerp naar het koele einde stromen. Deze drie stromen gaan in de proefopstelling alle een andere kant op. Het elektrische veld dat tussen de P- en de N-laag aanwezig is, trekt elektronen richting de N-laag (en de gaten uiteraard precies de andere kant op). Omdat deze twee platen aan de zijkant worden verhit, ontstaat er ook een thermische stroom: de hete elektronen stromen loodrecht op deze stroom, richting het koude restmateriaal. Als gevolg ontstaat er puur door het toepassen van warmte een magnetisch veld. Magnetisme laat ladingen rondcirkelen. Het gevolg is dus dat er zich draaikolkjes vormen: van elektronen in de N-laag en van gaten in de P-laag. Deze draaikolken zijn het spiegelbeeld van elkaar.Het gevolg: er ontstaat al een magnetisch veld alleen door verhitting.

Energiezuiniger elektronica
Een eerste toepassing die Wu voor zich ziet is energiezuiniger en nauwkeuriger elektronica. Parasitaire lekstromen worden een steeds groter probleem nu elektronica steeds kleiner en gevoeliger wordt. Als rekening wordt gehouden met dit effect, kan voorkomen worden dat de storende en energieverspillende draaikolkjes zich vormen. Aan de andere kant is dit effect natuurlijk ook te gebruiken om juist energie uit op te wekken.  Het wachten is dus op een slimmerik die de draaikolkjes kan aftappen en in nuttige elektriciteit kan omzetten. Wie weet kunnen met dit effect totaal nieuwe typen zonnecellen worden gebouwd, speculeert Wu.

Bronnen:
An unexpected clue to thermopower efficiency, Physorg (2011)
J. Wu et al., Electrothermally driven current vortices in inhomogeneous bipolar semiconductors, Phys. Rev. B 84, 045205 (2011)

Entropie, peak-oil-theorie en Stoïcijnse filosofie

10 reacties / Filosofie, Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 21 mei 2011

Ugo Bardi (professor Fysische Chemie in Florence) hield tijdens de Peakoil Conferentie in Barbastro (Spanje) een lezing. Op zijn blog, Cassandra’s Legacy, staat de lezing uitgeschreven. Bardi legt uit dat entropie de drijvende kracht achter alle processen in de natuur. Bij alle processen neemt de entropie (de wanorde) toe en daarbij komt energie vrij.

Als water van een waterval naar beneden valt, komt er energie vrij. Daardoor warmt het water een heel klein beetje op. Als water warmer is bewegen de moleculen sneller en er zullen meer watermoleculen verdampen. De entropie is toegenomen.

Vanuit deze theorie (thermodynamica) kan Bardi ook verklaren waarom de winning van grondstoffen een klassieke klokvormige curve (bell-shaped) volgt. Een relevante publicatie van dat werk vind je hier.
De klokvormige produktiecurve geldt niet alleen voor aardolie, maar voor alle grondstoffen.

Zoals bijvoorbeeld de winning van antraciet in Pennsylvania

Lees verder op Cassandraclub of klik direct naar het blog van Ugo Bardi.