​En högentropilegering avbildad med ett svepelektronmikroskop.
Bild: Sheng Guo

Nytt spår för omvandling av spillvärme till el

​Mängder av energi går dagligen förlorade i form av spillvärme. I ett tvärvetenskapligt projekt har chalmersforskare nu visat att en speciell klass av material, så kallade högentropilegeringar, kan öppna dörren för effektiv värmeåtervinning.
​Energieffektivisering är en viktig pusselbit i omställningen till ett hållbart energisystem. Och det finns stora besparingar att göra. Till exempel kommer mindre än hälften av energiinnehållet i diesel till nytta i en dieseldriven lastbil. Resten går förlorat, mestadels som värme. Även många industriella processer dras med mycket spillvärme.

Därför jobbar många forskare på att utveckla material, så kallade termoelektriska material, som kan omvandla spillvärmen till el. Men att ta fram bra sådana material är klurigt. För att materialen effektivt ska kunna omvandla värme till el behöver de nämligen vara bra på att leda ström, men samtidigt vara dåliga på att leda värme – något som är motsägelsefullt för de flesta material.

– En extra stor utmaning är att skapa termoelektriska material som är så stabila att de fungerar bra vid höga temperaturer, säger Anders Palmqvist som är professor i materialkemi och forskar just om termoelektriska material.

Vid en tvärvetenskaplig workshop kring material för energitillämpningar på Chalmers mötte han för första gången materialforskaren Sheng Guo som arbetar med en ganska ny typ av material som kallas högentropilegeringar vid institutionen för material och tillverkningsteknik. Högentropilegeringar består typiskt av minst fem olika grundämnen, vanligtvis metaller, i ungefär lika stora mängder. De är stabila även vid höga temperaturer och genom att variera de ingående komponenterna går materialets egenskaper att påverka.

– Det lät som att högentropilegeringar skulle kunna vara ett nytt, bra spår att testa inom termoelektriska material. Så vitt jag vet hade ingen gjort det förut, så vi bestämde oss för att köra igång ett projekt ihop, säger Anders Palmqvist.

I projektet involverade de även teoretikern Paul Erhart vid institutionen för fysik och med ekonomiskt stöd från Chalmers styrkeområde Materialvetenskap anställde de en gemensam postdoc, Samrand Shafeie.

– Det var en effektiv modell med tre forskningsledare som kompletterar varandra väldigt bra, säger Anders Palmqvist.

De tillverkade och studerade högentropilegeringar bestående av aluminium, kobolt, krom, järn och nickel med varierande halt av aluminium. Det visade sig att det gick att påverka egenskaperna som leder till bra termoelektrisk förmåga i rätt riktning och forskarna kunde dra slutsatsen att högentropilegeringar har potential att utformas till riktigt bra termoelektriska material.

Resultaten publicerades i en vetenskaplig artikel i tidskriften Journal of Applied Physics, där artikeln blev den mest lästa under januari månad och dessutom uppmärksammad som ”spännande” av redaktionen.

Nu gäller det att utveckla materialen vidare och försöka förstå hur högentropilegeringarna ska vara sammansatta för att optimera de termoelektriska egenskaperna.

– Det är en långsam process eftersom det finns många variabler att leka med och ett helt periodiskt system av ämnen att undersöka. Men med god teoretisk förståelse kan man försöka förutse vilka som är mest intressanta, förklarar Paul Erhart.

Det gemensamma projektet har gett mersmak hos chalmersforskarna som har många idéer kring hur de vill gå vidare med forskningen. De har även blivit inbjudna till samarbete med Uppsala universitet och KTH.

– Det stora intresset för omvandling av spillvärme till el ligger idag främst inom fordonsbranschen. Men lyckas vi göra riktigt bra termoelektriska material skulle användningsområdet breddas. Man skulle kunna producera el som biprodukt i exempelvis stålverk, säger Anders Palmqvist.

Länk till den vetenskapliga artikeln: High-entropy alloys as high-temperature thermoelectric materials (Journal of Applied Physics)

Text: Ingela Roos

Publicerad: fr 10 jun 2016.