Nanotrådar gör elektricitet av förlorad värme

En stor del av den energi som behövs för att driva din bil, dina hushållsapparater och ditt kylskåp försvinner som värme. I en bilmotor utgör förlusten närmare två tredjedelar av energin! Vid Lunds universitet bedrivs forskning på nanotrådar av halvledarmaterial, som öppnar nya möjligheter att använda spillvärme för att producera el. Trådarna är tunnare än en tiotusendels millimeter.

Sedan slutet av 1990-talet har Lars Samuelsons forskargrupp i Lund forskat på nanotrådar. För ungefär ett år sedan inleddes ett samarbetsprojekt, i vilket jag medverkar, med en amerikansk forskargrupp. Målet är att utnyttja nanotrådarna för att bygga en ny generation av så kallade termoelektriska kretsar. Dessa använder temperaturskillnader för att skapa elektrisk ström, och vårt syfte är att konstruera kretsar som är långt mer effektiva än de som finns i dag.

De teoretiska förutsägelserna är mycket lovande, och om vi lyckas bekräfta teorierna i praktiken kan mänskligheten se fram mot betydligt effektivare energianvändning i framtiden. Till exempel skulle värmen från en bilmotor kunna ge elektricitet som driver luftkonditionering och strålkastare, vilket kan minska bensinförbrukningen upp till 15 procent.

Att använda värme för att direkt producera elektricitet är i sig inget nytt. Termoelektricitet har varit känt i nästan två hundra år, och fenomenet kan användas som elgenerator, värmepump eller kylare. Men det var inte förrän på 1950-talet, då man började använda halvledare, som termoelektricitet kom till praktisk användning.

Hittills har termoelektriska kylare, värmepumpar och elgeneratorer varit mycket ineffektiva. På grund av fördelar som att de inte innehåller rörliga delar – vilket gör dem tysta och hållbara – och även kan göras relativt små, utnyttjas de i dag på några mycket avgränsade områden där pålitlighet, hållbarhet och storlek är särskilt viktiga. Det kan handla om att kyla mikroelektronik eller kylväskor, att generera el på rymdsonder och andra svårtillgängliga platser och att försörja exklusiva armbandsur med energi. De har också visst militärt intresse, eftersom termoelektriska generatorer och klimatanläggningar skulle vara både praktiska och göra exempelvis ubåtar tystare.

Principen bakom termoelektricitet är att olika temperaturer i ett material får fria laddningar – exempelvis elektroner – att vandra från varma till kalla områden. Resultatet blir en spänning, som kan användas för att driva elektriska apparater. På omvänt sätt kan en yttre elektrisk spänning användas för att skapa temperaturskillnader i ett material, som därmed kan fungera som värmepump eller kylare.

Problemet med termoelektriska kretsar är att de kräver tre saker samtidigt av materialen som de byggs av. Dels ska de ha hög termoelektrisk effekt, vilket innebär att liten temperaturskillnad ger hög spänning. Dels måste de vara bra elektriska ledare, dels dåliga värmeledare. Om materialet är bra på att leda värme jämnas nämligen temperaturen ut och verkningsgraden blir sämre.

De två sista egenskaperna går inte att kombinera när det gäller storskaliga material – bra elektriska ledare är helt enkelt också bra värmeledare. Det är heller inte möjligt att nå hög elektrisk ledningsförmåga samtidigt med en hög termoelektrisk effekt. Men med nanostrukturer av halvledarmaterial går det att bryta dessa samband.

När material görs i nanoskala, innebär det att en eller flera dimensioner görs med en storlek som är mindre än 100 nanometer. En tråd blir då närmast endimensionell, vilket betyder att elektronerna i tråden i princip bara kan röra sig i trådens längdriktning.

Eftersom rörelse är kopplad till energi, kommer också de energier som elektronerna rör sig med att begränsas. Detta får till följd att materialets egenskaper förändras drastiskt, och det blir möjligt att designa material med hög elektrisk ledningsförmåga som också har hög termoelektrisk effekt.

Design av ett material i nanoskala kan också leda till önskvärt låg värmeledningsförmåga, samtidigt som dess elektriska ledningsförmåga förblir hög. I halvledare transporteras värme framför allt genom att atomerna i materialet vibrerar, vilket bildar vågrörelser. Man kan jämföra med hur vattenvågor transporterar flaskpost. Liksom vattenvågor ändrar riktning och sprids då de stöter mot något, så gör även vågrörelserna i materialet det och med dem värmen. I en nanotråd ligger yttersidorna så nära varandra som ett tiotal nanometer. Därmed är det svårt för värme att transporteras genom materialet, och värmeledningsförmågan blir sämre. Med nanostrukturer kan man alltså få ett material att leda ström bra och samtidigt leda värme dåligt.

På 1990-talet gjordes teoretiska beräkningar som visade att termoelektriska kretsar med nanostrukturer mycket väl skulle kunna konkurrera med konventionella kylaggregat och elgeneratorer. Än har detta dock inte visats experimentellt. För två år sedan drev professor Heiner Linke – Lundagruppens amerikanske samarbetspartner – den teoretiska gränsen ännu längre. Tillsammans med Tammy Humphrey vid University of Wollongong i Australien visade han att termoelektriska material kan ha ännu högre verkningsgrad, och teoretiskt till och med utnyttja all energi i temperaturskillnaden, som en så kallad Carnotprocess. Verkningsgraden i en Carnotmaskin är den maximala verkningsgraden som kan uppnås i en maskin som arbetar mellan två temperaturer. Ingen har tillverkat en perfekt Carnotmaskin, men kunskapen om hur en sådan borde se ut har betytt mycket för utvecklingen av bland annat förbränningsmotorer.

För att uppnå verkningsgraden i en Carnotprocess måste ett material designas så att de elektroner som rör sig genom kretsen gör det vid i stort sett samma energi, och utan att skapa entropi. Entropi är ett mått på oordning och är ett centralt begrepp inom värmelära och termodynamik.

Ett ytterligare krav för att fullt utnyttja temperaturskillnaden är att värmeledningsförmågan ska vara noll, vilket inte är möjligt vid de temperaturer där man tänker sig att använda termoelektricitet. Den maximala effektiviteten är alltså teoretiskt möjlig men inte praktiskt genomförbar.

Men kunskapen om hur ett perfekt termoelektriskt material bör se ut är ändå värdefull. Vi vet nu hur ett idealiskt material för termoelektricitet ska se ut, vilket gör det möjligt att driva en mer målinriktad materialutveckling. Till exempel så vet vi att det är viktigt att styra rörelseenergin hos elektronerna i termoelektriska kretsar. Och det var därför Heiner Linke började samarbeta med Lars Samuelsons forskargrupp i Lund.

Lundagruppens nanotrådar erbjuder nämligen ett sätt att styra elektronernas energi genom så kallade kvantprickar. Sådana kan skapas genom att segment av olika material varvas i nanotrådarna. Om ett avsnitt av tråden är runt 10 nanometer eller mindre så blir det segmentet praktiskt taget nolldimensionellt, vilket medför starka begränsningar på energimängden hos de elektroner som ska ta sig genom nanotråden. Därmed fungerar kvantpricken som ett energifilter, där bara elektroner med viss energi kommer igenom.

– Det unika i lundatekniken ligger i att vi lyckats utveckla en ganska idealisk tillväxt av trådarna och att vi kan kombinera material i dem som är så olika att de faktiskt aldrig tidigare kunnat kombineras, säger Lars Samuelson.

Den låga värmeledningsförmågan tillsammans med kvantprickarna gör att trådarna är bland de mest lovande kandidaterna att ingå i högeffektiva termoelektriska kretsar. I ett längre perspektiv hoppas vi att forskningen om nanotrådar ska leda till komponenter färdiga att användas.

Om vi lyckas bekräfta teorin experimentellt – att nanotrådar är betydligt effektivare än tidigare termoelektriska material – återstår ändå mycket utveckling innan kretsar kan massproduceras. Bara att mäta termoelektricitet på nanoobjekt är en stor utmaning. Men kanske kan vi om 10-15 år ha både energieffektivare apparater och en ny generation miljövänliga kylskåp i våra hem.