Nanobure skal forbedre benzinøkonomi

Forskere på Aarhus Universitet, Risø-DTU og Københavns Universitet har gjort fælles front i kampen for at skabe nye materialer, der kan effektivisere produktion og lagring af energi og sænke energiforbruget.

Kun ca 15% af energien i det benzin, som som vi kommer i bilens tank bliver brugt til at få bilen til at køre eller til fx klimaanlæg. Resten af energien går tabt. Men det skal den nye teknologi lave om på. (Foto: U.S. Department of Energy)

De nye termoelektriske stoffer kan blandt andet bruges til at omsætte spildvarme - for eksempel fra bilers udstødning - til elektricitet. Førende bilfabrikanter arbejder allerede på at udnytte denne mulighed til at skabe en forbedret benzinøkonomi, og de første biler der udnytter teknologien er tæt på produktion.

»Kommer der et gennembrud indenfor forskningen i nye materialer, har det så stort et potentiale, at det kan ændre vores samfund fundamentalt,« mener Bo Brummerstedt Iversen, der er professor i kemi på Aarhus Universitet og tilknyttet det interdisciplinære nanoscience center iNano.

Med deres seneste resultater - publiceret i tidsskriftet Nature Materials - viser forskerne, at de er på rette vej mod et sådant gennembrud.

Høj og lav

De danske forskere arbejder med en bestemt type af termoelektriske materialer, kaldet klatrisiler. Det særlige ved termoelektriske materialer er, at de kan udnyttes til at omdanne varmeforskel til elektrisk energi eller det modsatte - elektrisk strøm til køling.

"For at opnå en høj effektivitet af et termoelektrisk materiale kræves det, at materialet har en høj elektrisk ledningsevne, men en lav varmeledningsevne. Og det er egenskaber, der sjældent går hånd i hånd," forklarer Bo Brummerstedt Iversen.

Med de nye materialer - de såkaldte klatrasiler - dannes krystaller, der består af nanometer-store bure. Og ved at placere et tungt atom inde i hvert nano-bur, har forskerne fundet ud af, at materialernes evne til at lede varme forringes, uden at evne til at lede elektricitet mistes.

Klaprende atomer

De tunge atomer inde i burene kaldes "rattlers" - opkaldt efter klapperslanger. Bo Brummerstedt Iversen og hans kollegaer leverer i Nature Materials nu den endegyldige forklaring på den såkaldte "rattler effect", der giver de termoelektriske materialer deres unikke egenskaber.

"Tidligere har man troet, at det var de tunge atomers bevægelser i burene, der var årsag til den dårlige varmeledningsevne. Men det viser vores nye resultater er forkert," fortæller Bo Brummersted-Iversen.

Krystalstruktur af et 'nano-bur'. Hvor man førhen troede, at det var de tunge 'gæste'-atomers tilfældige bevægelse inde i buret, der gav materialet dets unikke egenskaber, viser det sig nu, at årsagen skal findes i hele burets atomare bevægelse. (Foto: Aarhus Universitet)

Groft sagt ved forskerne altså nu, hvilke typer af strukturer de skal forsøge at konstruere. Men teorien om hvorfor og hvordan rattlers virker, må nu skrives om.

"Det ser ud som om, det er selve burene, der betyder mest, mens det er af mindre betydning, hvilke "rattlers" vi kommer ind i dem," fortæller Bo Brummerstedt Iversen.

Som en nål i en høstak

Gennembruddet i forskningen af de termoelektriske materialer kom efter, at det lykkedes forskerne at fremstille krystaller af klatrasilerne, der var store nok.

Forskerne har nemlig brugt neutronspredningsteknik til at kigge ind i materialer og se atomernes bevægelser, hvilket ikke er muligt med små krystaller ved eksisterende neutronkilder.

"Hvis vi havde kraftigere neutronkilder som den foreslåede European Spallation Source (ESS), ville vi kunne undersøge langt flere nye materialer, og sandsynligheden for nye gennembrud ville blive øget ganske betydeligt," forklarer Bo Brummerstedt Iversen.

Indtil videre foregår materialeforskningen som en løbende forbedring af eksisterende stoffer. Men brugen af computermodeller fører fra tid til anden til nye kvantespring. Sidste år kom forskergruppen for eksempel på sporet af de såkaldte jernantimonider, der har helt unikke egenskaber.

"NASA arbejder med lignende termoelektriske systemer, blandt andet som generatorer i fremtidens rumfartøjer," fortæller Bo Brummersted-Iversen. Men de nyfundne stoffer kan også bruges til at udvikle helt nye kølemetoder, så man ikke længere behøver at bruge den mest almindelige og meget miljøskadelige drivhusgas (R-134a).