Nieuwe Materialen Veranderen Warmte In Elektriciteit

{h1}

Onderzoekers hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat koud niet-magnetisch is, maar bij hoge temperaturen een sterke magneet is. Dergelijke materialen kunnen mogelijk worden gebruikt om kracht te genereren.

Dit artikel achter de schermen werd aan WordsSideKick.com gegeven in samenwerking met de National Science Foundation.

De meeste van de huidige energiecentrales - van enkele van de grootste zonnepanelen tot kernenergiefaciliteiten - vertrouwen op het koken en condenseren van water om energie te produceren.

Het proces van het omzetten van verwarmd water in energie werd in wezen door James Watt al in 1765 begrepen. Warmte van de zon of een gecontroleerde kernreactie kookt water, dat zich vervolgens uitzet, een turbine verplaatst en kracht genereert.

Waarom water? Het is goedkoop; het absorbeert veel "latente warmte" terwijl het in stoom verandert; het produceert veel vermogen als het zich door de turbine uitbreidt; en het wordt gemakkelijk terug gecondenseerd tot vloeibaar water met behulp van een omgevingsbron zoals een rivier.

Warmte voor elektriciteit

Beginnend bij het fundamentele onderzoek van Nicolas Leonard Sadi Carnot in 1824, hebben ingenieurs geleerd hoe het koken en condenseren van water te manipuleren, gebruikmakend van deze "fase transformatie" tussen vloeistof en gas om elektriciteit op te wekken.

Door op het juiste moment in de cyclus warmte aan het water toe te voegen en tijdens de cyclus warmtewisseling op andere punten te voorkomen, kunnen onderzoekers uiteindelijk het meeste vermogen uit de stoom halen. Op deze manier hebben ze de cyclus zorgvuldig ontworpen om de efficiëntie te maximaliseren, een wiskundig concept dat Carnot heeft gedefinieerd.

"Dit koken en condenseren van water vereist enorme drukvaten en warmtewisselaars om het water te bevatten," zei onderzoeker Richard James van de Universiteit van Minnesota.

James en zijn team van onderzoekers willen een volledig andere fase-transformatie vervangen om het koken en condenseren van water te vervangen. Ze hebben die mogelijkheid onderzocht met behulp van een familie van metaallegeringen (specifieke mixen van verschillende elementen) genaamd "multiferroïsche materialen".

Multiferroïsche materialen

Multiferroïsche materialen zijn materialen die ten minste twee van de drie "ferroïsche" eigenschappen vertonen: ferromagnetisme (zoals een ijzeren magneet, spontaan gemagnetiseerd), ferro-elektriciteit (spontaan ontwikkelende twee polen) of ferro-elasticiteit (spontaan gespannen). Een natuurlijke manier om ferro-elasticiteit te vertonen is door een fasetransformatie waarbij een kristalstructuur plotseling vervormt in een andere, een zogenaamde martensitische fase-transformatie.

In plaats van water om te stomen, is het idee van het James-team om een ​​martensitische fase-transformatie te gebruiken die van nature voorkomt in sommige van deze multiferroïsche materialen. Met behulp van een wiskundige theorie voor transformaties van de martensitische fase ontwikkeld met de financiering van de National Science Foundation, ontdekten de onderzoekers een manier om de compositie van multiferroïsche materialen systematisch af te stemmen om de fasetransformatie aan en uit te zetten.

Gewoonlijk wordt het vermogen van een metaal om van fase te wisselen op deze manier belemmerd door een karakteristiek die "hysteresis" wordt genoemd, wat is hoe lang het duurt voordat het magnetisme van het metaal de faseverandering inhaalt. Als dit te lang duurt, wordt het vermogen van het metaal om van fase naar fase te schakelen belemmerd.

Evoluerende legeringen

"Het belangrijkste idee is om de samenstelling van de legering te manipuleren, zodat de twee kristalstructuren perfect bij elkaar passen," zei James. "Wanneer dit is gebeurd, daalt de hysterese van de fasetransformatie dramatisch en wordt deze zeer omkeerbaar."

Zelfs nadat de eerste legeringen met lage hysterese ontstonden, was de strategie allemaal gebaseerd op theorie. "Om er zeker van te zijn dat de hysteresis om de verwachte reden daalde, was het van cruciaal belang dat we de perfecte interfaces in afgestemde legeringen zagen," zei James.

Hiervoor heeft James samengewerkt met Nick Schryvers van het laboratorium Electron Microscopy for Materials Science aan de Universiteit van Antwerpen, een beroemd centrum voor de studie van fase-transformaties met behulp van elektronenmicroscopie. De daaruit voortvloeiende studie, door Schryvers en Universiteits-afgestudeerde student Remi Delville, onthulde perfect passende interfaces tussen de twee fasen.

Heusler legeringen

De onderzoekers hebben het concept nagestreefd in een legeringsfamilie genaamd Heusler-legeringen die magnetisch zijn, ook al zijn de metalen waaruit ze bestaan ​​niet. Genoemd naar de Duitse mijningenieur Friedrich Heusler, die voor het eerst merkte dat Cu2MnSn (koper-mangaan-tin) is magnetisch, hoewel de afzonderlijke elementen Cu, Mn en Sn niet-magnetisch zijn, deze legeringsgroep heeft een opvallende neiging om magnetisme te vertonen. Zoals James opmerkt, zijn Heuslers ook geladen met martensitische fase transformaties.

Werkend in de groep van James paste de postdoctorale medewerker Vijay Srivastava de strategie toe om een ​​lage hysterese te bereiken, waarbij hij systematisch de samenstelling van de basale Heusler-legering Ni veranderde2MnSn en aankomst op Ni45Co5Mn40sn10.

"Ni45Co5Mn40sn10 is een opmerkelijke legering, "zei James." De lage temperatuurfase is niet-magnetisch maar de hoge temperatuurfase is een sterke magneet, bijna net zo sterk als ijzer bij dezelfde temperatuur. "De onderzoekers realiseerden zich meteen dat een dergelijke legering zich als de fase kon gedragen -transporterend water in een energiecentrale.

"Als je de legering omgeeft door een kleine spoel en deze door de fasetransformatie warmt, induceert de plotseling veranderende magnetisatie een stroom in de spoel," zei James. "In het proces absorbeert de legering wat latente warmte en wordt warmte direct omgezet in elektriciteit."

Energiecentrales revolutie

De gevolgen voor de technologie zijn potentieel verreikend. In een elektriciteitscentrale zou men niet de enorme drukvaten, leidingen en warmtewisselaars nodig hebben om water te transporteren en te verwarmen. Omdat de transformatietemperatuur over een breed bereik kan worden aangepast, kan het concept worden aangepast aan vele warmtebronnen die op aarde zijn opgeslagen met kleine temperatuurverschillen.

"Men kan zelfs dromen van het gebruik van het temperatuurverschil tussen het oppervlak van de oceaan en een paar honderd meter naar beneden," zei James.

Samen met Professor Christopher Leighton van de Universiteit van Minnesota onderzoeken de onderzoekers ook de mogelijkheid om dunne filmversies van hun apparaten te maken. Die kunnen op computers werken, direct op de chip, om restwarmte om te zetten in elektriciteit om de batterij op te laden.

James benadrukt dat hun demonstratie slechts een van de vele manieren is waarop je martensitische fase-transformaties kunt gebruiken voor energieconversie.

"Naast magnetisme, zijn er veel fysieke eigenschappen die in de twee fasen verschillend kunnen zijn en kunnen worden gebruikt om elektriciteit op te wekken uit warmte," zei James. "Maar hoe kunnen deze concepten worden ontwikkeld en welke het beste werken?"

"Zelfs het criterium voor 'beste' is onduidelijk, omdat men niet betaalt voor restwarmte, 'vervolgde James. "Echt, we moeten opnieuw nadenken over de fundamentele principes van de thermodynamica van energieconversie bij een klein temperatuurverschil."

Opmerking van de uitgever: Dit onderzoek werd gesteund door de National Science Foundation, het federale agentschap belast met de financiering van fundamenteel onderzoek en onderwijs op alle gebieden van wetenschap en techniek. Alle meningen, bevindingen en conclusies of aanbevelingen in dit materiaal zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de opvattingen van de National Science Foundation. Zie het archief achter de schermen.


Video Supplement: Deze slimme tegels wekken stroom op met beweging en zonnecellen.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com