Author Archives: gskomedal

About gskomedal

Material Scientist researcher working with and blogging ablut Energy Materials. Main interests: Thermoelectrics, Solarcells, Batteries, Silicon

Nytt gjennombrudd for termoelektrisitet?

I den termoelektriske verden har det for det meste handlet om å øke effektiviteten til materialene man har slik at det kan åpne seg nye markedsmuligheter. Godheten til et materiale beskrives på en zT-skala. Jo høyere tall, desto mer effektivt materiale. Industristandarden idag ligger på ca 1, noe som gir en effektivitet på ca 5% ved en temperaturforskjell på 100°C.

Nå har et forskerteam fra Sør Korea samt Caltech i USA greid å lage et materiale med en zT på over 2! Dette tilsvarer en økning til ca 8% effektivitet ved samme temperaturforskjell.

Nå er det ikke første gang noen har vist termoelektriske materialer med en zT over 2. Det som gjør dette unikt er at metodene som brukes for å lage materialet ikke er særlig kompliserte og lett kan gå inn i en masseproduksjonsprosess.

Som beskrevet i et tidligere innlegg om skutteruditt, så ønsker man å ha så lav varmeledning som mulig i et termoelektrisk materiale – dette for at vi ønsker at mest mulig av varmeenergien skal omdannes til elektrisk strøm og vica versa. Og tilsvarende som for skutteruditter ønsket forskerne i dette tilfellet å sette inn bølgebrytere inne i materialet som kan hindre varmebølger. Så er det slik at noen bølger er laange (har lang bølgelengde), mens andre er veldig korte. Og vi trenger forskjellige type bølgebrytere for de forskjellige bølgelengdene. Tidligere har man stort sett greid å sette inn bølgebrytere for de veldig korte og de veldig lange bølgelengdene, mens de i midten har vært vanskelig å gjøre noe med. Men nå har altså noen greid å gjøre noe også med dette – å lage tette “gjerder” med periodisk mønster  langs korngrensene i materialet, noe som hindrer bølger med mellomstor bølgelengde. Og dermed er zT nesten doblet til 2!

Kim2015_Science

Ny prosess for å lage bismuth-tellurid baserte termoelektriske materialer øker effektiviteten med flere prosent. “Bølgebrytere” dannes langs korngrenser inne i materialet som reduserer varmebølgenes bevegelse.

Så hva kan vi bruke dette materialet til? Bismuthtellurider (som denne materialtypen populært kalles) brukes primært til kjøling i Peltiermoduler. De beste Peltiermodulene idag kan kjøle mellom 60 og 70°C fra romtemperatur og ned (en temperaturforskjell mellom de to sidene). Dette har vært “state-of-the-art” i flere titalls år. Det disse forskerne har greid er å lage en Peltiermodul som kan kjøle opp til 82°C. 12°C forbedring høres kanskje ikke mye ut,  men det kan bety veldig mye når man skal få inn Peltiermoduler i for eksempel kjøleskap, airconditioning og kjøling til stadig mindre og kraftigere elektronikk.

Peltiermodulen laget av det nye effektive materialet kan kjøle opp til 82C temperatur forskjell - over 10C mer enn state-of-the-art.

Peltiermodulen laget av det nye effektive materialet kan kjøle opp til 82C temperatur forskjell – over 10C mer enn state-of-the-art.

Selve metoden som er brukt til å lage dette materialet kan også brukes til å forbedre egenskapene til andre termoelektriske materialer (som skutteruditt) og kan derfor regnes som et lite gjennombrudd, eller i det minste en spennende mulighet for videre forskning og utvikling. Som vi vet: Mange bekker små gjøren stor å.

Hvorfor bare 2 dager med strøm på kometen, Philea?

Den 12 november 2014 var en viktig dag for europeisk romforskning. Romsonden Philea landet på kometen 67P/Churyumov–Gerasimenko og var dermed første fartøy som har greid å lande på en komet for å gjøre undersøkelser på overflaten. Den er utstyrt med et helt knippe av instrumenter for målinger av kometoverflaten for å øke for forståelse av universet og jordens opprinnelse.

 

Men det var et stort aber – hvor lenge kunne den holde seg med nok strøm slik at man både kunne utføre målingene og sende de til oss på jorden? Etter 2 dager var moroa over for denne gang. Batteriet var nesten tomt og solcellepanelen romsonden var dekket med fikk hverken nok sol eller er effektive nok til å sikre kontinuerlig drift. Så da gikk Philea i dvale mens den venter på å lade opp batteriene og komme nærmere solen. Forhåpentligvis får vi kontakt igjen i løpet av et par måneder.

Selv stod jeg igjen med et lite spørsmålstegn: hvorfor brukte de ikke andre kilder til energi en solceller? Hvorfor ikke bruke et radioaktivt batteri (RTG)? Voyager lever fremdeles etter 38år. På mars kjører Curiosity rundt døgnet rundt. Men hvorfor kan ikke ESA, europeisk romfart, gjøre noe tilsvarende?

Vel, det viser seg det at RTG’er (enda så fantastiske de nå en gang er) ikke er helt rett frem å lage. Og det er IKKE det termoelektriske materialet det står på –  det er det radioaktive materialet.

RTG’er ble utviklet parallelt i USA og Russland på 50 og 60-tallet som en energikilde i øde områder med lite sol og da særlig utforskning av universet. Det radioaktive materialet som ble brukt i disse RTG’ene var i all hovedsak et biprodukt fra atomvåpenproduksjon. Nå som atomvåpenproduksjonen ligger relativt død i disse landene er det heller ingen kilder til nytt radioaktiv materiale for RTG’ene. USA holder rett og slett på å gå tom for brensel til sine RTG’er, og har visstnok ikke stort mer materiale igjen enn til én større romekspedisjon.

Europeiske land var aldri med på dette romkappløpet og utviklet dermed heller aldri teknologien. Når ESA ble etablert på 70-tallet ble det valgt å fokusere hovedsaklig på solceller for å gi strøm til sine romsonder da disse selvfølgelig er enklere og lettere, samtidig som at atomkraft ble stadig mer upopulært og risikoene forbundet med det fikk større fokus. Men stadig større og mer avanserte ekspedisjoner som skal dra enda lenger ut i solsystemet vil kreve mer energi og da må man kanskje vurdere å skaffe sin egen RTG-teknologi også i Europa.

Om du vil lese mer om dette og andre mulige årsaker til mangel på RTG’er i Philea og andre europeiske romeksepdisjoner kan du ta en titt på denne Quora-tråden.

Men det finnes håp! Det jobbes faktisk med å utvikle RTG’er i Europa, men ved å bruke Americum istedenfor Plutonium som den radioaktive kjernen. Det er en slags billigutgave med lavere effekt, men likefult et steg i riktig retning.

For å oppsummere: Termoelektrisiteten startet sin karriere for fullt som del av energikilde til store romekspedisjoner. På grunn av dyre og upopulære radioaktive materialer ble det dessverre aldri en hit i Europa. Men dette er i ferd med å endres. RTG’er og termoelektrisitet kommer til å fortsette å være en viktig del av vår utforskning av universet i lang tid fremover.

 

I Skutterudittens verden – rom for alle!

Jeg sitter i en naken leilighet i utkanten av Köln og hører på tyske slagere. Like i nærheten ligger DLR, Deutsche Luft and Raumfahrtsenter, hvor deler av Philea ble laget, og nå nylig hyllet for en stor bragd – å lande på en komet som befinner seg 3 ganger lenger vekk fra oss enn sola. Her jobber noen av tysklands dyktigste forskere og teknologer med å utvikle banebrytende nye teknologier.

En av disse er  termoelektrisitet. Her satses det virkelig. Nye termoelektriske materialer blir hver eneste dag presset ut (bokstavelig talt, da pulverpressing er en typisk produksjonsmetode). Og et av de mest interessante og effektive av disse, som det også forskes mest på, er Skutteruditt.

Skutteruditt som i Skuterudåsens blåe diamant. Modums hjertebarn, hele Norges Blåfjell. I årtier ble dette dengang så verdifulle koboltholdige mineralet fraktet ned skråningene til Simoas stille bredd og omvandlet til den mest fantastiske dype blåfarve som videre ble malt på alt av porselen som fantes ved det Kongelige Danske Hoff. Ikke verst for en Moing, i klasse med Bjørndalen.

Skutterudittholdig bergart i naturlig form. Kun små deler av denne steinen er ren skutteruditt.

Skutterudittholdig bergart i naturlig form. Kun små deler av denne steinen er ren skutteruditt.

Og nå har den altså tatt turen ut i verden igjen, og snart også verdensrommet.

Hva er det da som gjør Skutteruditt til den storsjarmør den nå står frem som? Har den leid inn konsulenter fra FirstHouse?  Nei tro det eller ei, men denne Casanovaen satser alt på at det er det indre som teller.

For der atomene i andre krystallinske materialer gjerne ønsker å klenge seg sammen så tett som mulig, blir det i Skutterudittens indre skapt store hulrom mellom atomene. Og inne i disse hulrommene tar Skutteruditten gjerne i mot besøk. Store, tunge (og gjerne litt eksotiske) atomer som Ytterbium, Neodium eller Cerium er spesielt velkomne. Og det er akkurat denne gjestfriheten som gjør skutteruditter så unik og gir den sine helt spesielt gode termoelektriske egenskaper.

Krystallstrukturen til skutteruditt, dvs beskrivelse av hvordan atomene er ordnet i forhold til hverandre. Store hulrom finnes mellom de røde atomene (Kobolt) der store fyll-atomer kan settes inn (gule) og effektiv fungere som "bølgebrytere" mot varmebølger.

Krystallstrukturen til skutteruditt, dvs beskrivelse av hvordan atomene er ordnet i forhold til hverandre. Store hulrom finnes mellom de røde atomene (Kobolt) der store fyll-atomer kan settes inn (gule) og effektivt fungere som “bølgebrytere” mot varmebølger.

En av de viktigste egenskapene for et termoelektrisk materiale er at det må lede varme dårlig, slik at mest mulig av varmen blir omdannet til strøm (les mer om det her). Varme som beveger seg gjennom et materiale kan sammenliknes med bølger på havet som ikke stopper før det møter land. I Skutterudittens tilfelle fungerer disse store atomene som bølgebrytere som reduserer varmetransporten gjennom materialet og dermed øker elektrisitetproduksjonen.

Det høres kanskje enkelt ut, men naturen krever noe hjelp fra oss for å fylle opp Skutteruditten mest mulig optimalt. Vil lager derfor disse materialene kunstig ved å varme opp råvarene til 1200C i riktig forhold, akkurat som en brøddeig, for så å la det størkning raskt. Da har vi ( om vi har fulgt oppskriften nøye) fått Skutteruditt fylt med tunge, digre atomer.

Og nå har også jeg endelig fått laget min egen! Denne halvmetallklumpen er fylt med Indium. Vi lager disse materialene i små mengder (10g) for å forske på effektiviteten og holdbarheten under forhold tilsvarende de de vil bli utsatt for ved for eksempel varmegjenvinning fra eksos på en bil.

Skutteruditt fyllt med Indium etter smelting, blanding og størkning.

Skutteruditt fylt med Indium etter smelting, blanding og størkning.

Tilsvarende forskning på skutteruditt finnes også ved flere store forskningsinstitusjoner rundt om i verden. NASA har allerede utviklet en ny generasjon radioaktive batterier med skutteruditt som skal brukes i fremtidige romreiser. Og det norske firmaet TEGma har ambisjoner om å masseprodusere dette materialet slik at vi kan bruke det også til jordlige formål.

Kan dette mineralet som en gang i tiden skapte en av Norges største industriarbeidsplasser på 19-tallet nå være grunnlaget for ny industriproduksjon og energieffektivisering? De neste årene blir spennende!

Termoelektriske naturopplevelser

Hva kan man egentlig bruke den termoelektriske effekt til? Det er et spørsmål som ofte dukker opp. Så her har du et eksempel.

Jeg var nylig en tur til Trolltunga ved Odda og tenkte jeg skulle benytte anledningen til å kjøre en liten test av et nytt termoelektrisk produkt jeg har anskaffet: The PowerPot.

PowerPot er intet mindre en en gryte som genererer strøm mens du varmer opp vann. Dette skjer ved at man har plassert termoelektriske moduler mellom varmekilden og det som skal varmes opp. Når varmen så beveger seg over den termoelektriske modulen vil noe av varmeenergien omdannes til elektrisk strøm. Og jo større temperaturforskjellen er desto mer strøm lager man! Se forøvrig introduksjonen for mer informasjon hvordan termoelektrisitet fungerer.

PowerPot er ei gryte som utnytter temperaturforskjellen mellom varmkilden og vannet i gryta til å generer strøm.

PowerPot er ei gryte som utnytter temperaturforskjellen mellom varmkilden og vannet i gryta til å generer strøm. En USB-kontakt gjør det lett å koble på de fleste moderne dingser på strøm.

Jeg kjøpte min PowerPot via KickStarter  for 120$, men du kan også kjøpe den på hjemmesiden. Her koster den per dags dato 149$. Den veier ca 400g og har et volum på 1.4l. Med andre ord noe høyere vekt enn en normal tur-gryte, men uten at det blir en stor ekstra byrde.

Så med PowerPot trygt pakket i sekken sammen men en primus satt vi avgårde. Når vi etter en slitsom marsj på vel 4 timer nådde fram til trolltunga var vi sultne som få og trengte noe varmt vann til real turmat. Samtidig merket jeg at mobilen hadde blitt tappet for strøm underveis siden det var så mye flott natur å ta bilde av, så her var det jammen på tide med litt lading. Vi dro derfor frem The PowerPot og satte igang.

PowerPot nyter utsikten utover Ringedalsvannet ved  Trolltunga

PowerPot nyter utsikten utover Ringedalsvannet ved Trolltunga

Siden mobilen trenger lading på 5V USB, og spenningen fra de termoelektriske modulene varierer med temperaturforskjell, er det nødnvedig og konvertere den varierende spenningen fra modulene til en stabil USB-spenning. Den konverteren som følger med har en kapasitet opp til 1A noe som gir 5W maks ladeeffekt. Selv greide jeg å lade ca 7% på 15min på en tlf med 1.5Ah batteri noe som tilsvarer omtrent 2W. Det skyldes nok at det tok litt tid før det kom igang samt at jeg kunne kjørt på med endel mer varme enn jeg gjorde.

En oppgradert versjon av denne konverteren er på vei i posten og skal ettersigende kunne gi 12W. Dette skal da i teorien være nok til å lade 2 mobiler fra 0-100% på 2 timer (2.4Ah batteri) med samme gryte. Det krever noe mer undersøkelser for å verifisere om disse påstandene er korrekte, men foreløpig ser det lovende ut.

Alt i alt var dette en flott tur – både for den turglade og den noe mer teknologitunge siden av meg. Om du er en person som drar på langtur i skog og på vidde kan PowerPot absolutt være et produkt å vurdere. Gryte og primus (eller bål) trenger man som regel uansett, og lading får du gratis i tillegg. Det kan også være en god ide og ha med seg på hytte-til-hytte vandring da de færreste hyttene til turistforeningen har innlagt strøm. Da kan du bare sette gryta på peisen på kvelden med litt vann i og du har nær ubegrensede menger strøm!

Ha en god termoelektrisk tur!

Radioaktive batterier

Jeg satt her og så søndagsrevyen for noen uker siden. Da dukket denne reportasjen opp.

Norge har vært med på et spleiselag for å fjerne radioaktive batterier fra fyrlykter langs hele nordkysten av Russland og erstatte energiforsyningen med solceller eller dieselaggregat. Det høres jo vel og bra ut det.

Men for nostagilske sjeler som meg sitter jeg igjen med en “rar” følelse. For disse radioaktive batteriene er jo selve symbolet på det Sovjet som forsket i verdenstoppen og produserte fantastiske teknologiske vinninger..

Et radioaktivt batteri er altså det samme som en RTG (Radioisotopisk termoelektrisk generator) som er beskrevet andre steder på termoelektrisitet.no. Du kan også lese mer om prosjektet og teknologien på Bellonas hjemmesider.

Et radioaktivt batteri plassert trygt i de russiske skoger - Fra http://www.qrp.gr/technology/thermocouple/37598.htm

Et radioaktivt batteri plassert trygt i de russiske skoger – Fra http://www.qrp.gr/technology/thermocouple/37598.htm

Det skal bli spennende å se den termoelektriske biten av disse RTG’ene bli tatt med inn i varmen på andre bruksområder som vil kunne forbedre energyutnyttelsen i mange prosesser!

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.