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.

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)