Sähköä hukkalämmöstä tehokkaammilla materiaaleilla

Termosähköisillä materiaaleilla voidaan muuntaa hukkalämpöä suoraan sähköksi.

Kemian tekniikan korkeakoulusta väittelevä DI Tommi Tynell on kehittänyt termosähköisiä hybridimateriaaleja, joissa yhdistetään eri materiaalityyppien hyvät ominaisuudet. Hän havaitsi, että lisäämällä orgaanisia kerroksia sinkkikerroksien väliin on mahdollista parantaa materiaalin termosähköistä suorituskykyä. Orgaanisilla kerroksilla uskotaan myös olevan suuri vaikutus lämmönjohtavuuden vähenemiseen, mikä olisi termosähköisten materiaalien kannalta erittäin hyödyllistä.

‒ Tehokkaampien termosähköisten materiaalien kehittäminen on valtava haaste, sillä fysikaaliset ominaisuudet, jotka vaikuttavat materiaalin termosähköiseen suorituskykyyn, eivät ole toisistaan riippumattomia. Materiaalin optimointi on hyvin vaikeaa, sillä kun yksi ominaisuus paranee, saatetaan samalla huonontaa muita ominaisuuksia, Tynell kertoo.

Suurin este termosähköisten generaattoreiden laaja-alaiseen hyödyntämiseen on tällä hetkellä tunnettujen termosähköisten materiaalien huono hyötysuhde. Lisäksi parhaat olemassa olevat yhdisteet eivät kestä korkeita lämpötiloja ja usein sisältävät sekä harvinaisia että haitallisia alkuaineita.

Ympäristöystävällisiä materiaaleja

Väitöstutkimuksessaan Tynell kasvatti kerros kerrokselta nanomittakaavan rakenteita, joiden rakennetta hän analysoi sekä röntgen- että infrapunalaitteilla. Tutkimuksessa käytettiin sinkkioksidi-ohutkalvoja, sillä sinkkioksidi on yksi lupaavimmista termosähköisistä oksidimateriaaleista. Oksidimateriaalit ovat puolestaan ympäristöystävällisiä ja niiden saatavuudessa ei ole ongelmia. Niiden uskotaankin olevan tärkeässä asemassa tulevaisuuden kestävän energian teknologioiden kehittämisessä.

Tynell yhdisti atomikerroskasvatuksen ja molekyylikerroskasvatuksen ja näin onnistui valmistamaan orgaanisista ja epäorgaanisista yhdisteistä koostuvia hybridi-superhilarakenteita. Atomikerroskasvatus sopii erittäin hyvin tarkasti kontrolloitujen nanorakenteiden valmistukseen. Sillä valmistettiin sadan nanometrin paksuisia kerrosmaisia nanorakenteita, joissa erittäin ohuet orgaaniset kerrokset vaihtelivat paksumpien epäorgaanisten kerrosten kanssa. Orgaanisena aineena käytettiin kolmea eri lähtöaineitta, jotka ovat hydrokinoni, 4-aminofenoli ja 4,4’-oksidianiliini. Kaikkien kokeiltujen orgaanisten molekyylien havaittiin vaikuttavan sinkkiohutkalvojen termosähköisiin ominaisuuksiin.

‒ Vaikka lähtöaineiden rakenteet olivat melko samanlaiset, vaikutusten suuruus vaihteli lähtöaineesta riippuen. Hydrokinoni oli näistä kolmesta soveltuvin, koska se muodosti helpoiten halutut rakenteet.

Ainutlaatuista tutkimusta

Tommi Tynell teki väitöskirjansa akatemiaprofessori Maarit Karppisen ryhmässä. Karppinen ryhmineen on tutkinut termosähköisiä materiaaleja kymmenkunta vuotta. Ainutlaatuiseksi ryhmän tutkimuksen tekee se, että termosähköisten materiaalien tutkimuksessa on harvemmin käytetty hybridimateriaaleja. Vain muutama tutkimusryhmä maailmassa on tällä hetkellä keskittynyt hybridimateriaalien ominaisuuksien tutkimiseen. Termosähköisellä energialouhinnalla on mahdollisuus vähentää riippuvuuttamme perinteisistä energialähteistä. Hyödyntämätöntä hukkalämpöä on tarjolla kaikkialla. Sitä syntyy esimerkiksi teollisuusprosesseissa, kotitalouksissa ja autojen pakokaasutkin ovat hukkaan menevää lämpöä. Tommi Tynellin tutkimus on askel kohti sitä, että voimme joskus hyödyntää nyt ilmaan häviävän hukkalämmön.

DI Tommi Tynellin väitöskirja ”Termosähköisten ZnO-ohutkalvojen atomikerroskasvatus” tarkastetaan Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulussa 13.12.2013 klo 12. Vastaväittäjänä toimii professori Julien Bachmann ja valvojana on akatemiaprofessori Maarit Karppinen.

Lähde: Aalto-yliopisto
Kuva: Sinkkioksidi, Walkerma Wikipedia

0 kommenttia:

Lähetä kommentti