Neue Materialien Wärme in Strom verwandeln

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Die meisten der heutigen Kraftwerke – von einigen der größten Solaranlagen zu Kernenergie Einrichtungen – verlassen Sie sich auf das Kochen und Kondensation von Wasser, Energie zu produzieren.

Der Prozess der drehen erhitzt Wasser in Energie wurde im Wesentlichen von James Watt den ganzen Weg zurück im Jahre 1765 verstanden. Wärme von der Sonne oder aus einer kontrollierten Kernreaktion kocht Wasser, welches dann erweitert, eine Turbine bewegt und erzeugt Strom.

Warum Wasser? Es ist billig; Es saugt viel "latente Wärme", wie es in Dampf verwandelt; Sie produziert eine Menge Energie, da es durch die Turbine erweitert; und es ist leicht wieder zu flüssigem Wasser mit einer ökologischen Quelle wie ein Fluss kondensiert.

Wärme, Elektrizität

Beginnend von der Grundlagenforschung von Nicolas Leonard Sadi Carnot 1824, haben Ingenieure manipulieren, das Kochen und Kondensation von Wasser, gelernt, mit dieser "Phasenumwandlung" zwischen Flüssigkeit und Gas zur Stromerzeugung.

Durch Wärmezufuhr in das Wasser zum richtigen Zeitpunkt im Zyklus und die Verhinderung von Wärme ermöglicht Austausch zu anderen Zeitpunkten während des Zyklus Forscher, letztlich die meiste Energie aus dem Dampf zu extrahieren. Auf diese Weise entwarfen sie sorgfältig den Zyklus seiner Effizienz, ein mathematisches Konzept zu maximieren, die Carnot definiert.

"Diese Kochen und Kondensation von Wasser erfordert massive Druckbehälter, Wärmetauscher, die Wasser enthalten", sagte Forscher Richard James, von der University of Minnesota.

James und sein Team von Forschern wollen eine ganz andere Phasenumwandlung um die kochende und kondensierende Wasser ersetzen ersetzen. Sie haben die Möglichkeit, mit einer Familie von Metall-Legierungen (spezielle Mischungen aus verschiedenen Elementen) namens "multiferroische Materialien" untersucht.

Multiferroische Materialien

Multiferroische Materialien sind Materialien, die mindestens zwei der drei "Ferroic" Eigenschaften aufweisen: Ferromagnetismus (wie ein Eisen-Magnet, spontan magnetisiert), Ferroelectricity (spontan entwickeln zwei Pole) oder Ferroelasticity (spontan angespannt). Ein natürlicher Weg, Ferroelasticity auszustellen ist durch eine Phasenumwandlung in welche einen Kristall Struktur plötzlich in eine andere, eine so genannte martensitischen Phasenumwandlung verzerrt.

Anstelle von Wasser, Dampf ist das James Team Idee einer martensitischen Phasenumwandlung zu verwenden, die in einigen dieser multiferroische Materialien vorkommt. Eine mathematische Theorie für martensitischen Phasenumwandlungen entwickelt mit Unterstützung der National Science Foundation, die Forscher eine Methode entdeckt, systematisch optimieren der Materialzusammensetzung multiferroische der Phasenumwandlung aktivieren bzw. deaktivieren können.

In der Regel wird ein Metall-Fähigkeit Phasen wie folgt wechseln behindert durch eine Eigenschaft namens "Hysterese", die ist, wie lange es für den Magnetismus des Metalls nimmt Nachholbedarf bei der Phase-Change. Wenn es zu lange dauert, behindert es das Metall Fähigkeit Phasen hin und her zu wechseln.

Sich entwickelnden Legierungen

"Die zentrale Idee ist, die Zusammensetzung der Legierung zu manipulieren, so dass die zwei Kristallstrukturen perfekt zusammenpassen", sagte James. "Wenn dies geschehen ist, die Hysterese der Phasenumwandlung sinkt dramatisch und wird es hoch umkehrbar."

Auch nach die ersten niedrigen Hysterese Legierungen begann zu entstehen, die Strategie alle Theorie beruht. "Um sicherzustellen, dass die Hysterese für die erwarteten Grund fiel, war es wichtig, dass wir tatsächlich, die perfekte Schnittstellen in abgestimmten Legierungen sehen," sagte James.

Zu diesem Zweck zusammen James mit Nick Schryvers aus der Elektronenmikroskopie für Materials Science Laboratory an der Universität Antwerpen in Belgien, ein gefeierter Zentrum für das Studium der Phasenumwandlungen mit Elektronenmikroskopie. Die daraus resultierende Studie von Schryvers und Universität Antwerpen Doktorand Remi Delville, hat perfekt passende Schnittstellen zwischen den beiden Phasen.

Heusler-Legierungen

Die Forscher verfolgten das Konzept in einer Familie von Legierungen genannt Heusler-Legierungen sind magnetisch, obwohl die Metalle, aus denen sie sich nicht. Genannt für der Deutsche Bergbau-Ingenieur Friedrich Heusler, wer zuerst, dass Cu₂MnSn (Kupfer-Mangan-Zinn bemerkt) magnetisch ist, obwohl die einzelnen Elemente Cu, Mn und Sn nichtmagnetischen sind, hat diese Familie von Legierungen eine auffallende Neigung zu Magnetismus aufweisen. Wie James feststellt, werden Heuslers auch mit martensitischen Phasenumwandlungen geladen.

Arbeiten in James Gruppe, Postdoktorand Vijay Srivastava die Strategie zur Erreichung niedriger Hysterese, systematisch verändern die Zusammensetzung der grundlegenden Heusler Legierung Ni₂MnSn und Ankunft in Ni₄₅Co₅Mn₄₀Sn₁₀angewendet.

"Ni₄₅Co₅Mn₄₀Sn₁₀ eine bemerkenswerte Legierung ist", sagte James. "Die Niedertemperatur-Phase ist nichtmagnetischen aber die Hochtemperatur-Phase ist ein starker Magnet, fast so stark wie Eisen bei der gleichen Temperatur." Die Forscher erkannte sofort, dass solch eine Legierung wie die Phase Übergang Wasser in einem Kraftwerk handeln könnte.

"Wenn Sie die Legierung durch eine kleine Spule umgeben und erhitzen Sie es durch die Phasenumwandlung, die plötzlich wechselnde Magnetisierung induziert einen Strom in der Spule", sagte James. "Dabei absorbiert die Legierung einige latente Wärme. Es wandelt Wärme direkt in Strom."

Revolutionierende Kraftwerke

Möglicherweise weit reichende Folgen für die Technik. In einem Kraftwerk bräuchte man nicht die massive Druckbehälter, Rohrleitungen und Wärmetauscher verwendet, um Verkehr und Wärme Wasser. Da die Umwandlungstemperatur über einen weiten Bereich einstellbar ist, ist das Konzept anpassbar an vielen Quellen auf der Erde mit kleinen Temperaturunterschieden gespeicherte Wärme.

"Man kann sogar träumen die Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche des Ozeans und ein paar hundert Meter hinunter zu verwenden,", sagte James.

Zusammen mit Professor Christopher Leighton an der University of Minnesota untersuchen die Forscher auch die Möglichkeit, Dünnschicht-Versionen ihrer Geräte. Diese könnte in Computern, direkt auf dem Chip zur Umwandlung von Abwärme in Strom um die Batterie aufzuladen funktionieren.

James betont, dass ihre Demonstration ist, dass nur eine von vielen Möglichkeiten einer martensitischen Phasenumwandlungen für Energieumwandlung nutzen kann.

"Neben der Magnetismus, gibt es viele physikalische Eigenschaften, die in den beiden Phasen anders sein könnte und könnte verwendet werden, um die Erzeugung von Strom aus Wärme," sagte James. "Aber wie diese Konzepte zu entwickeln und welche am besten geeignet ist?"

"Auch das Kriterium für die"beste"unklar, da man nicht für Abwärme zahlt", fuhr fort James. "Wirklich, wir müssen von grundlegenden Prinzipien der Thermodynamik der Energieumwandlung bei kleine Temperaturdifferenz zu überdenken."

Anmerkung der Redaktion: Diese Forschung wurde unterstützt von der National Science Foundation, die Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik beauftragt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Sehen den Blick hinter die Kulissen Archiv.