Et stoff som lager strøm, helt uten en eneste del som beveger seg og helt uten at det går ut over miljøet. Det høres ut som en drøm, ikke minst en vinter med rekorddyr strøm. Men dette er virkelig forskning, og den skjer hos NMBU på Ås.
Varm og kald
– Det er veldig «tricky» å finne gode termoelektriske materialer. Naturen er grådig. Den har lyst til å gi fra seg minst mulig, sier Kristian Berland.
Termoelektriske materialer – det vil si materialer som kan bruke varme til å lage strøm. Tenk deg vinduet der du bor. Om vinteren har vinduet én kald og én varm side. På utsiden er det nesten like kaldt som luften rundt. På innsiden holder det nesten romtemperatur.
Et glassvindu kan ikke lage strøm, men det kan mange andre stoffer gjøre når de er varmere på den ene siden enn på den andre. Da beveger elektronene seg fra den varme til den kalde siden. Og strøm, det er nettopp elektroner som er i bevegelse.
Ikke effektive nok
Teknologien har vært kjent i 200 år. Den er i bruk i alt fra vinkjølere til Voyager-romsondene. Det finnes til og med en løsning som lar deg lade telefonen din på campingtur – med termoelektrisitet fra en generator som plasseres med kaldt vann over og et stearinlys under. Men materialene er ikke effektive nok til at termoelektrisitet er blitt en viktig energikilde.
Berland og kollegene hans prøver å gjøre noe med det. I laboratoriet går det an å lage mer effektive materialer. For å være effektive skal de lede strøm best mulig og samtidig lede varme dårligst mulig. Dermed klarer de å produsere mye strøm uten at de to sidene av materialet jevner seg ut og får samme temperatur.
Superdatamaskin
– Vi skal prøve å identifisere og kanskje også designe nye termoelektriske materialer ved å bruke en superdatamaskin som gjør kraftige beregninger, sier Berland, som er førsteamanuensis ved fakultet for realfag og teknologi på NMBU.
Det finnes knapt nok grenser for hvor mange forskjellige materialer det er mulig å lage. Men i stedet for å lage en lang rekke forskjellige stoffer, bruker forskerne kunstig intelligens og maskinlæring til å regne på materialer som aldri er laget. De beregner rett og slett effektiviteten ut fra hvordan atomene i stoffet er plassert. Først når de har funnet ut hvilke materialer som egner seg best, så skal samarbeidspartnerne hos Sintef og Universitetet i Oslo lage disse materialene.
Legeringer
– Det er kjempestor aktivitet rundt i verden med denne typen beregninger. Det som er annerledes med prosjektet vårt, er at vi ser på legeringer, forteller Berland.
Det vil si at andre forskere arbeider med rene metaller og halvledere, mens det norske prosjektet ser på blandinger og også på om de kan bli enda bedre hvis noen av atomene i blandingen flyttes litt på. Det beste kommer til å være et materiale som er midt imellom et metall og en halvleder.
Når han snakker om at naturen er grådig, tenker han på at hvis det er varmeforskjeller mellom den ene og den andre siden av et materiale, vil naturen helst jevne ut forskjellen slik at alt blir like varmt. Tenk på det vinduet igjen: Det er bare varmen i rommet og det at du har flere lag med glass, som gjør at det ikke er like kaldt på innsiden som på utsiden.
Lager uorden
Nå er det et spennende resultat på vei ut fra Kristian Berland og kollegene hans. Hvis du har et materiale som består av noen tunge og noen lettere atomer, så har de funnet ut at de må lage uorden med de tyngste atomene.
– Hvis vi gjør det tyngste atomet til en legering – blander det med andre atomer – da går varmeledningsevnen veldig ned. Har vi for eksempel aluminium, silisium og litium, så kommer vi et stykke på vei når vi blander silisium med tinn, forteller han.
Når de setter i sving den tyngste datakraften, finner de i en del tilfeller ut at de materialene som er best, faktisk er de som du normalt ikke ville hatt med. – Den teoretiske metoden, som er grei på mange egenskaper, vil fortelle at de er et metall, mens de i virkeligheten er halvledere. At dette er feil, er et tegn på at det er bra, er den paradoksale forklaringen til Berland.
Lykkes han, er mulighetene store. – For eksempel går 60–70 prosent av all varmen vi produserer i industrielle prosesser, bare tapt, sier han. Hvis denne varmen kan bli til strøm, er den en viktig ressurs og en god hjelp til å spare miljøet.
Referanse:
Kristian Berland, Nina Shulumba, Olle Hellman, Clas Persson og Ole Martin Løvvik: Thermoelectric transport trends in group 4 half-Heusler alloys. Journal of Applied Physics, oktober 2019, doi: 10.1063/1.5117288. Sammendrag
Fakta
Materialteori og informatikk
Forskergruppe ved fakultet for realfag og teknologi på NMBU.
Prøver å oppdage fremtidens avanserte materialer ved hjelp av dataeksperimenter.
Kristian Berland leder gruppen, og har med seg stipendiatene Rasmus Andre Tranås og Øven Andreas Grimenes i prosjektet «Thermoelectric material screening with combined machine learning and atomistic modelling».
Ole Martin Løvvik ved SINTEF er prosjektleder for dette prosjektet, der også Anette Eleonora Gunnæs ved Universitetet i Oslo er med.
Prosjektet er et Allotherm-prosjekt finansiert av Norges Forskningsråd.