DigitaliseringInternet of Things -sensoren en -apparaten met eigen voeding nu mogelijk met nieuw materiaal
Samenvatting
Onderzoekers van het Instituut voor Solid State Physics van de Technische Universiteit van Wenen hebben een materiaal met thermo-elektrische eigenschappen uitgevonden. Het materiaal zet incidentele warmte om in elektriciteit en genereert zo voldoende energie om apparaten van stroom te voorzien. Dit is meer dan genoeg voor sensoren en andere kleine elektronische apparaten die in aantal toenemen in de wereld van het internet der dingen. Als deze technologie op grote schaal wordt toegepast, betekent dit een belangrijke doorbraak voor de stroomvoorziening van op het internet gebaseerde apparaten, zonder dat de bijkomende toename van de stroomopwekkingscapaciteit nodig is naarmate de telecommunicatiewereld 5G-netwerken uitrolt. Het zou de toename van de energiecapaciteit drastisch kunnen beperken, wat gevolgen heeft voor de broeikasgasemissies van elektriciteitscentrales die fossiele
centrales die fossiele brandstoffen uitstoten, en de klimaatverandering. De universiteit heeft twee octrooien aangevraagd en werkt samen met partner AVL Graz, het National Institute of Materials Science in Japan en de Chinese Academy of Sciences om de ontdekking te commercialiseren. Mocht de ontdekking op grote schaal worden toegepast, dan zou ze een belangrijke doorbraak kunnen betekenen op het gebied van internet en het IoT.
Open volledig artikel
Internet of Things -sensoren en -apparaten met eigen voeding nu mogelijk met nieuw materiaal
Onderzoekers van het Instituut voor Solid State Physics van de Technische Universiteit van Wenen hebben een materiaal met thermo-elektrische eigenschappen uitgevonden. Door dunne lagen ijzer, vanadium, wolfraam en aluminium te combineren en op een siliciumkristal aan te brengen, zet het materiaal toevallige warmte om in elektriciteit, zodat voldoende energie wordt opgewekt om apparaten van stroom te voorzien. De hoeveelheid opgewekte elektriciteit is niet veel, maar het is meer dan genoeg voor sensoren en andere kleine elektronische apparaten die steeds talrijker worden in de wereld van het Internet of Things (IoT).
Thermo-elektrische stroom maakt dit materiaal anders
Drie eigenschappen van het materiaal en enkele basisfysica maken de energieopwekkende mogelijkheden mogelijk. De dunne roosters van gecombineerde metallische materialen die op het silicium worden aangebracht, veranderen de positie van atomen binnen de totale structuur.
Wanneer de roosters voor het eerst worden neergelegd, is elk van de metalen componenten uniform van structuur, dat wil zeggen, ijzeratomen zitten naast elkaar. Maar in combinatie met het silicium komen de ijzeratomen plotseling op willekeurige wijze samen met de vanadium-, aluminium- en wolfraamatomen, waardoor een onregelmatige atomaire rangschikking ontstaat die de elektronische eigenschappen verandert. Hierdoor kan een lage elektrische weerstand, veroorzaakt door een externe warmtebron, zich verplaatsen van een deel van de kristallijne structuur naar gebieden met een lagere temperatuur.
In een recent persbericht van de universiteit verklaart professor ErnstBauer, die aan het hoofd staat van het laboratorium voor Solid State Physics"De elektrische lading beweegt zich op een speciale manier door het materiaal, zodat het beschermd is tegen verstrooiingsprocessen. De delen van de lading die door het materiaal reizen worden Weyl Fermionen genoemd."
Als je net als ik niet bekend bent met Weyl Fermionen: ze zijn voor het eerst ontdekt in 2015 en zijn massaloze quasideeltjes die in speciale materialen worden aangetroffen en erdoorheen bewegen. Hierdoor ontstaat thermo-elektrische stroom.
Seebeck-effect produceert de elektriciteit
Thermo-elektrische materialen hebben een uniek vermogen om warmte om te zetten in elektriciteit. Dit wordt het Seebeck-effect genoemd, dat optreedt wanneer een materiaal een temperatuurgradiënt heeft tussen zijn twee eindpunten. De opgewekte energie is meestal zo klein dat we het over het hoofd zien. Maar dit nieuwe materiaal creëert een thermo-elektrisch effect dat 2,5 keer of meer groter is dan alle thermo-elektrische materialen die tot nu toe zijn gemaakt. Tegelijkertijd draagt het materiaal de thermo-elektrische stroom over zonder de warmte over te dragen. Dit maakt het ideaal voor elektronica die werkt zonder dat er een batterij of draad aan vastzit.
Elektriciteit voor het IoT
Het groeiende aantal elektronische apparaten in de wereld van het IoT (naar verwachting triljoenen binnen een decennium of twee) betekent dat de stroombehoefte exponentieel kan groeien. De ontdekking van de Universiteit van Wenen zou de toename van de energiecapaciteit drastisch kunnen beperken, wat gevolgen heeft voor de uitstoot van broeikasgassen door elektriciteitscentrales die fossiele brandstoffen uitstoten, en voor de klimaatverandering.
Sensoren en andere elektronica waaraan een klein, efficiënt thermo-elektrisch element is bevestigd, kunnen gebruik maken van afvalwarmtebronnen om het thermo-elektrisch effect op gang te brengen.
De universiteit heeft twee octrooien aangevraagd en werkt samen met partner AVL Graz, het National Institute of Materials Science in Japan en de Chinese Academie van Wetenschappen om de ontdekking te commercialiseren. Mocht het op grote schaal worden toegepast, dan zal het een belangrijke doorbraak betekenen in het voeden van op internet gebaseerde apparaten zonder dat de bijkomende toename van de stroomopwekkingscapaciteit nodig is naarmate de telecommunicatiewereld 5G-netwerken uitrolt.
Auteur: Len Rosen
Image credit: GE Verslagen
Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op 21ste eeuwech
