Onderzoek - ontwikkeling en innovatie
16 februari 2024
Thermo-elektrische generatoren halen elektriciteit uit uw dagelijkse kopje (warme) koffie
Zogeheten thermo-elektrische generatoren zetten omgevingswarmte om in elektriciteit. Ze kunnen worden gebruikt om stroom te leveren aan een breed gamma van toepassingen, van draagbare toestellen en sensoren tot afgelegen elektronicasystemen zoals satellieten. Maar om deze toepassingen in de praktijk te brengen moeten die generatoren ook flexibel zijn en beschikbaar in tal van verschillende vormen. Bovendien moeten ze relatief makkelijk te maken zijn. Materiaalonderzoekers aan de KU Leuven hebben deze vereisten aangepakt door een vernieuwend productieproces te ontwikkelen.
Een temperatuurverschil van een paar graden volstaat om een bruikbare hoeveelheid elektrische stroom op te leveren. Bijvoorbeeld om een lamp te laten branden of een draagbaar toestelletje of een sensor te laten werken. Materialen die warmte in elektriciteit omzetten, worden thermo-elektrische generatoren genoemd. Ze kunnen gemaakt worden van metaal of halfgeleidermateriaal en hebben gewoonlijk een klein formaat. Daardoor kan men met die generatoren de omgevingswarmte benutten die overal rondom ons beschikbaar is, zelfs op ons lichaam – dat uiteraard voortdurend warmteproduceert. Het grote voordeel van thermo-elektrische generatoren? Ze kunnen toestellen van stroom voorzien zonder stroomdraden of batterijen.
Maar vóór dergelijke toestellen zonder draden of batterijen gebouwd kunnen worden, moeten eerst de juiste thermo-elektrische generatoren beschikbaar zijn. Flexibiliteit en veelzijdigheid zijn hier van belang. Thermo-elektrische generatoren moeten in heel wat verschillende vormen gemaakt worden en plooibaar zijn. Dat laatste in het bijzonder is momenteel nog een aanzienlijke uitdaging: de bestaande thermo-elektrische generatoren zijn vaak heel stijf en breken bij de geringste vervorming.
Maar dat is niet het geval met de generatoren die worden gemaakt door de groep van Francisco Molina-Lopez, docent aan het departement materiaalkunde van de KU Leuven. De materiaalonderzoekers bedachten een nieuwe methode om snel en relatief eenvoudig thermo-elektrische generatoren te produceren. Daartoe smelten ze metaalpoeder op een plasticfilm door middel van laagsgewijze productie met behulp van laserlicht. De thermo-elektrische generatoren worden op die manier ‘gedrukt’ in de vorm van platte strips. De strips kunnen met kleefband worden aangebracht op oppervlakken die warmte afgeven. Doordat ze plooibaar zijn, mogen die oppervlakken ook gebogen zijn. De onderzoekers demonstreerden dit door hun thermo-elektrische generatoren op een koffiemok te plakken: de inhoud daarvan gaf genoeg warmte af om een aantal microwatt elektriciteit te produceren, genoeg voor een rekenmachine, een elektronisch horloge of een RFID-tag. Bij een andere demonstratie bracht een onderzoeker strips op zijn arm aan, waarna hij zijn ‘eigen’ elektriciteit opwekte.
De strips zijn gemaakt van bismuttelluride, een materiaal dat bekendstaat om zijn thermo-elektrische eigenschappen. ‘We gebruiken dit materiaal als standaard,’ legt Molina-Lopez uit, ‘omdat het met voorsprong het beste is voor thermo-elektrische generatoren bij kamertemperatuur. Maar we hopen het productieproces in de toekomst naar andere materialen uit te breiden.’
Een van de voordelen van het nieuwe proces is dat grote stukken thermo-elektrisch materiaal in relatief korte tijd kunnen worden geprint.
Bovendien kan het overgebleven geprinte materiaal op de plasticfilm hergebruikt worden. ‘We verspillen dit kostbare materiaal dus niet tijdens het productieproces.’ Molina-Lopez en zijn collega’s lieten zien dat ze de resten van het materiaal meermaals kunnen hergebruiken zonder prestatieverlies. In een volgende stap willen ze hun methode en ontwerp verbeteren om ook het materiaal van uit bedrijf genomen thermo-elektrische generatoren te recycleren.
Meer nieuws over Onderzoek - ontwikkeling en innovatie
