Featured post

Velkommen til en termoelektrisk verden!

Romsondene Voyager 1 og 2 er i disse dager på vei ut av vårt solsystem. I 36 år har de nå vært på reisefot. Siden oppskytningen i 1977 har disse to tilbakelagt den lengste reisen en menneskeskapt gjenstand noengang har foretatt og bidratt til veldig viktig innsikt i vårt eget solsystem.

Men hvordan kan en slik reise foregå uten noen form for etterfylling av energi? Sola er for langt unna til å gi solenergi og ingen batterier kan vare så lenge. Hva er det som gir Voyager 1 og 2 energi til å fortsette ut i det uendelige verdensrom?

På grensen av solsystemet

På grensen av solsystemet suser Voyager 1 og 2 utover i verdensommet. I underkant av romsonden kan du skimte en Radioisotop Termoelektrisk Generator (RTG) som produserer all strøm som trengs ombord.

Svaret finner du i underkant av romsonden på bildet – en Radioisotip Termoelektrisk Generator (RTG). En RTG består av to kritiske komponenter. Det ene er en radikaktiv kjerne av plutonium isotop 238 som ståler jevnt ut varme etterhvert som den halveres. Det andre er en termoelektrisk generator som består av materiale som omdanner varmeenergi direkte til elektrisk strøm.  Denne strømmen var rundt 500W ved oppstart og er idag rundt 350W (som følge av halveringen til plutonium), men det er likevel nok til både avanserte instrumenter og kommunikasjon med jorden i ennå mange år fremover.

Ed Stone, som har vært den vitenskaplige lederen gjennom hele ekspedisjonens varighet, har uttalt at utvikling av denne RTG’en var blandt de viktigste “enabling technology” på Voyager, altså teknologien som gjorde denne ferden mulig i utgangspunkter. For på slike ekstreme reiser finnes det rett og slett intet annet alternativ en termoelektrisk energi.

Som så ofte det er med romteknologi tar det tid før teknologien anvendes til mer jordlige formål. Som regel er det både for dyrt og lite effektivt til å ha noe fore i forbrukerartikler. Men etter 36 år er altså dette i ferd med og endres. Termoelektrisitet har gitt etter for jordas tyngdekraft og er nå på vei inn i stua til folk flest. Og det finnes tre hovedårsaker til dette: teknologiutvikling, energimangel og global oppvarming.

Nye oppdagelser og teknologiutvikling innen material- og nano-teknologi har gjort oss i stand til å komme opp med stadig bedre materialer. Effektiviteten til de beste termoelektriske materialene har mer enn doblet seg de siste tiårene og er idag opp i 10-15%. Nye materialer har blitt oppdaget som kan produseres langt billigere enn “gamle” materialer som de som ble brukt på Voyager.

Men likevel, den sterkeste drivkraften har med energiutnyttelse å gjøre. Om du tar en nøye titt på figuren under kan du kanskje skjønne hvorfor. Denne grafiske fremstillingen av USA’s totale energiproduksjon og forbruk i 2012 viser hvordan nærmere 60% av all energien som produseres “tapes”. Og mesteparten av dette er spillvarme. Termodynamikkens lover er jammen ikke nådige.

Oversikt over all energiproduksjon og bruk i USA i 2012. Fra From https://flowcharts.llnl.gov/energy.html#2012

Oversikt over all energiproduksjon og bruk i USA i 2012. Fra  https://flowcharts.llnl.gov/energy.html#2012

Hvorfor så mye sløseri? Jo fordi nesten all energiproduksjon foregår ved å brenne ting – og det er ikke særlig energieffektivt. Ikke er det særlig bærekraftig heller, for vi bruker opp mye mer enn jorda greier å produsere. Og jammen har det en negativ virkning i form av global oppvarming også. Du verden, her ser det ut som om det er mye å ta tak i.

Fornybar energi er en åpenbar tilnærming. Om den gule, blå og lilla strømmen kunne vokse på bekostning av de andre ville vi redusert energisløseriet betraktelig. All energiproduksjon som kan skje med minst mulig varmeutvikling er mest mulig effektiv.

En annen tilnærming er å angripe figuren fra andre enden, og gjøre noe med spillvarmen. Varmegjenvinning er virkelig en av vår tids viktigste bidrag til å løse både utfordringer med energiforsyning og klima. Her finnes det også mange etablerte løsninger der fjernvarme kanskje er den mest fornuftige. Men likevel vil det alltid være vanskelig å bygge ut mindre spillvarmekilder. Og her står transportsektoren for et enormt potensiale.

Termoelektristet kan både bygges lite nok, og er effektivt nok til å gjenvinne spillvarme fra mindre punktutslipp som eksosen på biler og lastebiler. I EU kreves det allerede betydlige reduskjoner i hvor mye CO2 en bil kan slippe ut per km, og disse reguleringene kommer til å bli stadig strengere. Bilindustrien i hele europa kjemper en intens teknologikamp for å kunne redusere CO2 utslippene maksimalt – hvert eneste gram teller. Innen få år vil termoelektriske generatorer være et vanlig syn (ikke at vi ser de da men..) på europeiske biler, og etterhvert vil også andre land følge etter dette svært så fornuftige (på så altfor mange måter) tiltaket.

Så idet Voyager nå reiser ut fra vårt solsystem kan den sende sine tanker ned til oss, med termoelektrisk presisjon, og fortelle oss hvordan vi kan utnytte våre tilmålte ressurser på en litt mer fornuftig måte.

Og mens vi venter på de litt større termoelektrisk revolusjonene kan vi jo ta oss tid til å bli kjent med termoelektrisitet gjennom kjekt-å-ha-produkter som du finner i linker til høyre.

Minimer sløs, stem termoelektrisk.

Personlig aircondition

En tydelig trend i dagens samfunn er det stadig tettere fokuset på enkeltindivider. Alt skal tilpasses hver enkelt! Men en ting har sålangt vært noe vanskelig å regulere, nemlig romtemperaturen. Alle har sin «sweetspot» sone på et par grader der man kjenner velbehag. Alt over eller under må reguleres med klær eller oppvarming/nedkjøling av rommet man befinner seg. Som de fleste sikkert har erfart er temperaturstyring i bygg med flere rom og personer ikke helt rett fram. Og sitter du hjemme i stua og med t-skjorte og er litt småkald får du bare høre at du må «se å få på deg en genser!»

Men alas – nå er endelig teknologien her som skal løse disse utfordringene – termoelektriske armbånd, eller «your personal thermostat»

Akkurat nå er det hele 2 ulike crowdfunding prosjekter med produkter på gang i denne kategorien: AirCon Watch og Embr Wave

Her et par videoer som forklarer hvor vanvittig kult og nyttig dette KAN være:

Så hvordan fungerer så disse vidunderene?

Kjernen er rett og slett en termoelektrisk modul, eller kanskje bedre kjent som et Peltierelement. Akkurat som en termoelektrisk modul omdanner en varmestrøm til elektrisk strøm, kan den fungere like godt i motsatt retning; den omdanner en elektrisk strøm til en varmestrøm (peltier-effekten, les mer om det her). I bildene under ser du hvordan et peltierelement er plassert direkte på huden med en liten kjøleribbe på utsiden mot luften. Hvis man nå setter på en strøm i retning + til – vil man “pumpe” varme fra håndleddet til luften – med andre ord avkjøle håndleddet. Og om man setter på strømmen i motsatt retning vil man varme opp håndleddet.

Ved å variere retningen på strømmen kan man bestemme hvilke vei peltierlementen pumper varmen og kan dermed justere temperaturen til håndleddet både opp og ned i løpet av kort tid.

Disse peltierelementene eller termoelektriske modulene masseproduserer i stor skala og brukes blant annet til små kjøleskap eller vinskap. Det som er den store innovasjonen her er at man bruker nøyaktig samme teknologi til å kontrollere temperaturen i veldig små områder. Man for en personlig termostat. Så gjenstrå det bare å få noen produktdesignere til å lage en stilig varmeveksler, armbånd og display, så har man et helsikes fett produkt som faktisk virkelig kan gjøre nytte!

Om akkurat disse armbåndene kommer til å revolusjonere måten vi bruker (eller ikke bruker) aircondition på vet jeg ikke. Men måten å kontrollere temperatur i en mindre skala en vi tenderer til å gjøre idag er vitterlig interessant. Vi mennesker tar jo som regel bare brøkdelen av plassen i et rom, men man må likevel varme opp eller kjøle ned hele volumet.

Idag går omtrent 1/4 av all energi mennesket bruker til å justere temperaturen slik at vi skal ha det behagelig. Tenk om man greide å redusere dette behovet bare men noen få prosent?

Ref:

https://www.wired.com/2013/10/an-ingenious-wristband-that-keeps-your-body-at-the-perfect-temperature-no-ac-required/
https://techxplore.com/news/2017-09-wristbands-wearers-thermally-comfortable.htmla
https://thenextweb.com/gadgets/2017/10/06/mit-students-personal-thermostat-wrist/

Termoelektrisitet i Verdensrommet

Utforskning av verdensrommet var det som en gang i tiden virkelig fikk fart på utviklingen av termoelektriske materialer og teknologi. Videre utvikling på dette området har ikke sett veldig store endringer de seneste årene, men nå er en ny generasjon med RTG’er (Radioisotop Termoelektriske Generatorer) på vei. Og denne gangen er det skutteruditt som viser vei. Videoen under forklarer godt hvordan RTG’er funker og hvorfor utviklingen av disse nye materialene er viktig.

For de som fulgte med på nyhetene i fjor sommer husker kanskje en av de største begivenhetene innen romfart de seneste årene, nemlig romsondens New Horizons forbikjøring av Pluto. Og vi fikk fantastiske bilder av denne “planeten” som vi kun har hatt kornete bilder av fra før.

pluto-01_stern_03_pluto_color_txt

På samme måte som alle reiser lenger ut i solsystemet en Mars, hadde heller ikke denne reisen vært mulig uten bruk av RTG. Det forklares veldig godt i denne videoen fra NASA.

New Horizon hadde en MMRTG, mens den neste generasjonen, EMMRTG, vil være nærmest identisk i design (se video under), kun byttet ut den gamle termoelektriske materialet med nytt basert på skutteruditt.

Mer informasjon om New Horizon og RTG finner du her og her.

 

Doktorgrad på 2 minutter

Det har vært litt stille på denne bloggen en stund nå pga intensivt arbeid med å ferdiggjøre doktorgrad. Men nå er endelig er doktorgraden både levert, godkjent og trykket!

2016-05-26 07.41.08

Nå gjenstår kun disputas, 14. juni (det er bare å komme, påmelding og info her).

Så hva handler doktorgraden om? Om du vil lese hele finner du en link til den på denne siden, evt på UiA sine hjemmesider. Men disse 200 sidene er vel litt i overkant å lese for de aller fleste. Under følger derfor en oppsummering som skal ta under 2 minutter å lese gjennom, fremstilt på en måte slik at selv bestemor skal forstå det.

Doktorgrad på 2 minutter:

 

Et termoelektrisk materiale omdanner varme til strøm.Disse kan dermed brukes til å omdanne spillvarme fra f.eks en bilmotor til strøm som kan brukes til lys og stereoanlegg. Man erstatter dynamoen og øker dermed bilens energieffektivitet. Foreløpig har materialene vært for kostbare og lite effektive til at det skal lønne seg, men nå har det dukket opp nye materialer som kan lages billigere og mer effektive. To av disse som jeg har sett nærmere på er silisider og skutteruditter.

Disse nye materiale må kunne tåle  påvirkning fra omgivelsene over tid. De må holde ut bilens levetid, mer enn 10-15 år. Levetiden, eller holdbarheten, til disse nye termoelektriske materialene er derfor like viktig som pris og effektivitet.

I min oppgave har jeg sett på ulike prosesser som fører til at levetiden reduseres til disse to materialtypene. Hva skjer når man varmer de opp i omgivelser av luft og fuktighet? På samme måte som jern ruster, vil disse termoelektriske materiale reagere med lufta og forringes over tid. Dette må vi kontrollere og forhindre. Høyere temperatur øker hastighetene på forringelsen betydelig, samtidig som vi ønsker å ha høy temperatur for å få mest mulig effektivitet (strøm) ut av en gitt varmemengde. Samtidig vil kanskje noen av de endringene man gjør med et material for å øke effektiviteten, redusere levetiden. En av hypotesene som ble bekreftet gjennom forskningen min var at man i flere tilfeller får en “trade-off” mellom effektivitet og temperatur på den ene siden, og holdbarhet på den andre.

Men det kanskje aller gøyeste og mest konkrete arbeidet var å bygge en faktisk termoelektrisk modul (litt som solceller kobles sammen til solcellemoduler). Den vi lagde var basert kun på silisider, dvs materialer som består av silisium som er det mest vanlige materiale på jordas overflate og også brukes i solceller. Det kan derfor lages svært billig. Vi oppnådde en effektivitet på over 5% som er en rekord for slike materialer og er svært lovende for videre utvikling av billige og holdbare termoelektriske systemer for spillvarmegjenvinning, f.eks fra en bil.

Lade mobilen med en kopp kaffi?

En kopp kaffi gir mye energi, det har de fleste erfart. Men hva om man kunne få ENDA mer energi ut av kaffen? Hva om man faktisk kunne bruke VARMEenergien i den varme kaffen til noe annet enn å varme hendene? 2 dl 95 °C varmt vann har en tilgjengelig varmeenergi gitt av

Varmeenergi = vekt kaffe * (Temp kaffe – Temp rom) * varmekapasitet vann

Q = 0.2 kg * (95 – 25) °C * 1 kJ/kg°C = 58.5 kJ = 16.3 Wh

En mobil har til sammenlikning et batteri på omtrent 5-10 Wh. Om man kunne bruke ALL varmeenergien til å lade mobilen hadde man dermed hatt en god “business case”.

Det er vel det et par designere har tenkt når de har foreslått fremtidens bord som lader mobilen trådløst med strøm produsert gjennom termoelektrisk materiale fra varmen til andre gjenstander som plasseres på bordet.

 

Hadde ikke dette vært topp? Er det fremtiden vi stirrer rett inn i hvitøyet?

Både ja og nei.

Ja, fordi termoelektrisitet er på full fart inn i hverdagen vår. Og etterhvert også i industrien for spillvarmegjenvinning. Men da snakker vi om mye større varmemengder og høyere temperaturer.

Nei, fordi naturlovene begrenser mengde varmeenergi som kan omdannes til nyttig arbeid (f.eks strøm), og en termoelektrisk generator ikke er i nærheten av å nå disse teoretiske verdiene (riktig nok med dagens materialer)

I beste fall kunne 1-2% av energien i varmen utnyttes. Da ville vi med andre ord fått omtrent 0.1-0.2 Wh. Ok, kanskje ikke så ille, et par prosent ekstra strøm er jo bedre enn ingenting!

Men så har du et annet “problem”, som man ofte støter på når man skal vurdere om termoelektrisitet- eller varmegjenvinning forøvrig – har noe for seg: ønsker du å holde gjenstanden eller prosessen som du “gjenvinner” varme fra, varm? Hvis svaret på dette spørsmålet er ja, er sannsynligvis utnyttelse av varmeenergien fra denne til å gjøre annet arbeid, bortkastet.

Jeg våger og påstå at I tilfellet over er det meget sannsynlig at du ønsker å holde kaffen varm. Og da å effektivt kjøle kaffen for å omgjøre energien til 1% mer strøm på mobilen kanskje ikke verdt så mye likevel..? Men det skal sies, 95°C varm kaffe er kanskje ikke drikkbar, så all varmen som frigjøres ved kjøling fra 95 til 60°C er kanskje mulig å utnytte.

Så hva har vi lært av dette? Jo, termoelektrisitet er en fantastisk teknologi og materialegenskap, men KUN om den brukes på en fornuftig måte, det vil si bruker varme som du ikke trenger til noe annet. Hvis ikke vil det KUN redusere den totale effektiviteten og forårsake mer sløs.

 

 

Termoelektrisitet i Silicon Valley

Nesten alt av nye “hotte” trender innen teknologi de siste par tiårene har blitt startet av selskaper tilknyttet Silicon Valley. Det begynte med PC’en på 70′ og 80′ tallet og fortsatte med internett og mobiltelefoni på 90′ og 00′ tallet. I det siste har også visjonære entrepenører som Elon Musk brukt sin vanvittige gjennomføringskraft og tilgang på noen av verdens beste teknologer til også å lage mer fremtidsrettede produkter innen transport (Tesla), fornybar energi (SolarCity) og romfart (SpaceX). Og når Silicon Valley først har bestemt seg for å gjøre noe så skjer det fort. Det er godt nytt for de fleste av oss!

Og nå har altså også silicon valley oppdaget termoelektrisitet. Et 6 år gammelt start-up selskap, Alphabet Energy, har endelig begynt å lansere produkter basert på deres termoelektriske materiale. I løpet av de siste årene har de samlet 40millioner dollar venture kapital og startet produksjon av alt fra termoelektrisk materiale til ferdige termoelektriske systemer som kan kobles rett på spillvarmekilder for å gjenvinne noe av den tapte energien tilbake til strøm. Ta en titt på videoen under for en kjapp presentasjon av ett av deres produkter.

Hva betyr dette for termoelektrisitet? Ser vi endelig starten på noe større? Eller satser de for mye for tidlig? Det er vanskelig å si, men all ære til deres iver og entusiasme. Jeg var så heldig å overvære flere presentasjoner av deres produkter og foretningsmodell på den Internasjonale Termoelektrisitetskonferansen (ICT2015) i Dresden sist uke. Alphabet sin lansering og tilstedeværelse var aboslutt noe av det mer spennende som skjedde på konferansen. Det var også flere andre bedrifter tilstede som presenterte deres produkter, men Alphabet var virkelig i særklasse når det kom til visjon og drivkraft.

Og jeg tror dette er viktig. Skal vi få termoelektrisitet ut av skyggen og opp i rampelyset trenger vi slike initiativ og selskap som viser vei. Silicon Valley har greid det mange ganger før, og det spørs om de ikke er på god vei igjen. Selskaper som Alphabet brøyter vei for at andre aktører kan få en lettere vei å gå med sine produkter og tjenester. Skal vi kunne utnytte det enorme spillvarmepotensialet vi har i verden i dag, er det viktig at vi også lykkes med å få fram teknologier slik som termoelektrisitet.

Solcellerevolusjon, batterirevolusjon, hydrogenrevolusjon.. Hva blir det neste? Termoelektrisitet? Det er lov å håpe.

The Martian

Det er rart med det. Når man er hekta på noe (i mitt tilfelle termoelektrisitet) så må man nevne alt – aboslutt alt! – som har den ringeste forbindelse med dette fenomenets forekomst i populærkulturen. Og endelig har Termoelektrisitet mulighet til å få sine berømte minutter i rampelyset!

Som nevnt flere sider på termoelektrisitet.no er RTG’er (Radioaktive Batterier) det mest kjente bruksområdet for termoelektristet opp til våre dager. Og det er langt i fra tilfeldig, for RTG’er er fantastiske duppedingser. Radioisotopene stråler ut store mengder varme, og noe av det konverteres til strøm. Man får altså både varme og strøm i samme pakke. Og ingenting er vel bedre når man er strandet på et kaldt øde sted.. som f.eks Mars.

Om du er interessert i teknologi og romfart, likte filmer som Interstellar og Gravity og knegger i skjegget av nerdete referensar og tørre tek-vitser, da er “The Martian” virkelig noe for deg. “The Martian” er kort fortalt en historie om en Astronaut-utgave av MacGayvor/Robinson Cruso som blir nødt til å ty til alle midler for å overleve på Mars etter en serie uheldige omstendigheter fører til at han blir forlatt der alene. Du kan lese mer om boken (som ble skrevet for et par år siden) her eller enda bedre – sette av noen timer til teknologisk klasseunderholdning og faktisk lese den.

Uten å røpe for mye av bokas innhold må det nevnes at en RTG har en sentral rolle i historiens gang. Uten denne RTG’en vil ikke hovedpersonen Mark Watney ha en sjangs på Mars overflate.

LOG ENTRY: SOL 68
Well shit.
I came up with a solution, but… remember when I burned rocket fuel in the Hab? This’ll be more dangerous.
I’m going to use the RTG.

Han trenger varme og han trenger strøm. Vel, egentlig trenger han mest varme. For å være helt ærlig tror jeg han hadde klart seg utmerket uten T’en i RTG og dermed så er det kanskje ikke akkurat en spesielt fremtredende rolle selve det termoelektriske materialet spiller. Men så skal det sies at varmekilden heller ikke hadde vært der oppe om det ikke hadde vært for det termoelektriske element. Men la oss ikke henge oss opp i detaljer. Om jeg kom på TV fordi naboen hadde gjort noe kult hadde jeg fremdeles vært veldig fornøyd..

Så gled dere til 22. november for da kommer Matt Damon til å dra rundt på en RTG på Mars sin overflate! Og imens, les boka, for om ikke termoelektristet har nådd ut til almuen innen den tid, så kommer det til å være på alles tunger da.