warmtetechniek

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

Rekenen met warmte

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

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)

Het miniatuurwarmtepompje vergeleken met een Noorse munt.

‘Warmtepomp werkt nog in jaar 12010’

De Noorse onderzoeker Jan KÃ¥re Bording ontwikkelde een warmtepomp zonder bewegende delen die zelfs over tienduizend jaar nog werkt. Het micro-koelelementje van een kubieke millimeter kan overal toegepast worden, zelfs in de ruimte.

Het miniatuurwarmtepompje vergeleken met een Noorse munt.
Het miniatuurwarmtepompje vergeleken met een Noorse munt.

Warmtepompen pompen warmte van de ene plek naar de andere. Een koelkast pompt bijvoorbeeld warmte uit een koelkast. Warmtepompen werken meestal met een compressor en de ozonlaag vernietigende freonen. In het koude deel verdampt het freon en neemt zo warmte op. In het warme deel wordt de freon weer samengeperst door de compressor, waardoor dit gas condenseert, warm wordt en de warmte dumpt.

COP: het aantal joules warmteenergie dat een joule invoerenergie oplevert. Zoals alle warmtepompen doet de miniwarmtepomp van Bording het vooral erg goed bij kleine temperatuursverschillen.
COP: het aantal joules warmteenergie dat een joule invoerenergie oplevert. Zoals alle warmtepompen doet de miniwarmtepomp van Bording het vooral erg goed bij kleine temperatuursverschillen.

Bordings mini-warmtepomp werkt slimmer. Er komt zelfs geen enkel bewegend onderdeel aan te pas, maar maakt gebruik van thermo-elektriciteit. Het principe wordt in het persbericht niet beschreven, maar lijkt volgens Jan KÃ¥re Bording op dat van een Peltier-element. Warmte in vaste stof bestaat uit trillingen, fononen genaamd. Peltier-elementen transporteren deze trillingen van koud naar warm. Dat kost elektriciteit. Omgekeerd kan de pomp ook elektriciteit opwekken, door de fononen van warm naar koud te laten stromen. Erg hoog is hun rendement niet, maar Bording lijkt daar nu wat op te hebben gevonden. Vooral bij grote temperatuursverschillen scoort het pompje hoger dan standaard Peltier elementen.

Als deze pompjes veel efficiënter zijn dan standaard Peltier-elementen, zou dit wel eens een revolutie kunnen betekenen voor alternatieve energie. Het wordt dan economisch interessant om huizen te verwarmen met een compacte warmtepomp in plaats van met fossiel aardgas. Ook kunnen koelkasten en koelelementen veel kleiner worden dan nu. Stel je voor, een opvouwbare koelkast met zonnepaneel die je in je zak kan stoppen. Over vijf tot tien jaar realiteit?

Bronnen:
Universiteit van Stavanger
Jan KÃ¥re Bording, pers. comm.