– Vi kan ta energi som ikke kan brukes til noe, for eksempel varme som slippes ut fra industrien og går til spille, og gjøre den om til elektrisitet, som vi kan bruke, sier Rasmus Tranås, stipendiat ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU).
I doktorgradsarbeidet har han brukt maskinlæring og databeregninger for å finne effektive termoelektriske materialer. Termoelektriske materialer er materialer som kan bruke varme til å lage elektrisk strøm. Hvis materialet er varmere på den ene siden enn på den andre, vil elektronene bevege seg fra den varme til den kalde siden. På den måten lager de strøm, som rett og slett er elektroner i bevegelse.
– Store mengder av energien vi produserer går til spille. Hvis vi kan utnytte overskuddsvarme fra industrien og gjøre den om til strøm, kan denne teknologien bidra til å redusere klimagassutslipp, sier Tranås.
I tillegg til å utnytte overskuddsvarme fra industrien, kan termoelektriske materialer brukes til å lade smart-klokker og mobiltelefoner med kroppsvarme, eller til lokal kjøling, for eksempel i datamaskiner og bilseter.
Forsker for å finne flere passende materialer
Siden termoelektriske materialer kan brukes i mange tekniske løsninger og industrier, er det viktig å ha et stort utvalg av billige materialer som ikke inneholder giftige grunnstoffer. Tranås mener at et av høydepunktene i avhandlingen er at den bidrar til å øke antall relevante materialer.
– Basert på forskninga er fremtidsutsiktene for nye bruksområder for termoelektriske materialer lovende. Dette er ekstra relevant siden termoelektrisitet kan bidra til å redusere både strømforbruk og klimagasser i en tid med høye strømpriser og store utslipp, sier han.
Til tross for de mange bruksområdene, er bruken av termoelektrisk energi begrenset i dag. Det skyldes at materialene ikke er effektive nok – altså at lite av varme-energien blir konvertert til elektrisk energi, forklarer Tranås.
Det er blant annet fordi materialene ofte har for høy termisk ledningsevne. Det vil si at varme-energien flytter seg raskt gjennom materialet, fra den varme til den kalde siden. Det leder med andre ord varme godt, og da får de to sidene av materialet raskt samme temperatur. Det er ikke positivt i denne sammenhengen. Den termoelektriske effektiveten blir nemlig bedre jo større temperaturforskjellen mellom den kalde og den varme siden i materialet er, for da får elektronene mer bevegelse, og lager altså mer strøm. Det forskerne er på jakt etter, er derfor materialer som leder varme dårlig, men strøm bra.
– For å videreutvikle denne teknologien er det derfor viktig å oppdage nye termoelektriske materialer med lav ledningsevne, der varme-energien går saktere gjennom materialet, sier Tranås.
Det kan man for eksempel gjøre ved hjelp av data.
Bruker maskinlæring og data for å finne de beste materialene
Rasmus Tranås har brukt kvantemekaniske beregninger kjørt på superdatamaskiner for å estimere den termiske ledningsevnen og den termoelektriske effektiviteten til en mengde ulike materialer. Maskinlæring kan brukes sammen med kvantemekaniske beregninger for å finne lovende termoelektriske materialer blant tusenvis av kandidater.
– Data hjelper oss med søke gjennom mange materialer på en effektiv måte for å finne de beste kandidatene for nye materialer, sier han.
Maskinlæringsmodellen lærer å gjenkjenne materialer med lav termisk ledningsevne basert på materialenes egenskaper, for eksempel krystallstrukturen og grunnstoffene i materialet. Disse egenskapene er enkle å beregne, i motsetning til termisk ledningsevne, som krever store dataressurser. Tranås har også utforsket metoder for å aktivt velge hvilke materialer som bør inngå i treningssettet, noe som er viktig for maskinlæring med små treningssett.
Ved bruk av maskinlæringsmodellen har Tranås søkt gjennom over 1000 materialer. Av disse fant han 34 materialer med lav termisk ledningsevne, som kan være relevante for termoelektriske formål. Natrium-thallium-antimon (Na2TlSb) er et materiale med lav termisk ledningsevne, og Tranås har studert det i detalj for å finne ut hvorfor akkurat dette har lav ledningsevne.
Legering kan redusere ledningsevnen
Tranås trekker frem Half-Heusler-materialene som en lovende gruppe termoelektriske materialer, men som typisk har høy termisk ledningsevne. I et av arbeidene i avhandlingen har han studert 122 half-Heuslere og beregnet hvor mye den termiske ledningsevnen reduseres når materialene blir legert. I legerte materialer er noen av grunnstoffene i materialet byttet ut med et annet stoff.
Beregningene hans indikerer at enkelte materialer med høy til medium ledningsevne kan få redusert ledningsevnen betraktelig gjennom legering. Et slikt eksempel er aluminium-silisium-litium (AlSiLi), hvor ledningsevnen reduseres med over 70 % når det blir legert ved å bytte ut 10 % aluminium med gallium.
Målet er å finne materialer som får redusert ledningsevnen kraftig når de blir legert, for konklusjonen er tydelig:
– Gode termoelektriske kandidater kan bli oversett hvis vi ikke tar med i betraktningen at ledningsevnen kan reduseres kraftig gjennom legering, sier Tranås.
Rasmus André Tranås, ved Fakultet for realfag og teknologi (REALTEK), forsvarer sin doktorgradsavhandling "Identifikasjon av materialer med lav termisk gitterledningsevne ved bruk av maskinlæring og databeregninger" fredag 17. februar 2023. Her kan du se disputasoppslaget.