Non-reciprocal heat transfer advances flexible thermoelectric devices

Stel je een wereld voor waarin de warmte die door een machine of het menselijk lichaam wordt gegenereerd, niet kan worden beheerd door lomp, luidruchtig ventilatoren of zware metalen radiatoren, maar door een dunne, flexibele laag die aanvoelt als stof. Dit is de belofte van thermo-elektrische technologie, een veld dat al lang probeert temperatuurverschillen om te zetten in elektriciteit of, omgekeerd, elektriciteit te gebruiken om koeling te creëren. Decennialang werden deze apparaten beperkt door een fundamentele fysieke hindernis: warmte wil van nature terugstromen van een heet punt naar een koud punt, waardoor het werk dat het apparaat probeert te doen, teniet wordt gedaan. Om dit te stoppen, bevestigden ingenieurs traditioneel grote, stijve koellichamen aan de achterkant van het apparaat om de warmte weg te voeren. Hoewel effectief, maken deze zware onderdelen het doel van het flexibel en draagbaar maken van de technologie ongedaan, waardoor het gebruik beperkt blijft tot stationaire elektronica in plaats van de dynamische behoeften van het menselijk lichaam.

Een team van onderzoekers heeft nu een andere manier voorgesteld om over dit probleem na te denken, een manier die het idee van het bestrijden van warmtestroom met brute kracht loslaat en in plaats daarvan een slimme structurele truc gebruikt om de stroom te sturen. Door een apparaat te ontwerpen dat warmte anders behandelt afhankelijk van de richting waarin het probeert te reizen, hebben ze een flexibele thermo-elektrische eenheid gecreëerd die zichzelf kan koelen zonder enige externe koelapparatuur. Deze doorbraak suggereert dat de stijve, zware koelsystemen uit het verleden binnenkort vervangen kunnen worden door lichtgewicht, aanpasbare vellen die in staat zijn tot persoonlijke temperatuurbeheersing in alles van sportgeneeskunde tot spoedeisende hulp.

De kern van deze nieuwe aanpak ligt in het doorbreken van de symmetrie van het apparaat. In een standaard thermo-elektrische koeler is de interne structuur van boven naar beneden hetzelfde, waardoor warmte gemakkelijk heen en weer kan stromen, vergelijkbaar met water dat door een pijp stroomt zonder kleppen. De onderzoekers realiseerden zich dat door de materialen binnen het apparaat in een ongelijkmatig, niet-symmetrisch patroon te rangschikken, ze eenrichtingsverkeer voor warmte konden creëren. Ze bouwden hun apparaat met een combinatie van solide blokken thermo-elektrisch materiaal en dunne, poreuze films. Deze films fungeren als een barrière; ze zijn uitstekend in het geleiden van elektriciteit maar zeer slecht in het geleiden van warmte. Wanneer het apparaat wordt ingeschakeld, wordt de warmte die aan de hete zijde wordt gegenereerd snel naar buiten geduwd via een hoog geleidende flexibele laag, terwijl de poreuze film diezelfde warmte blokkeert om stiekem terug te sluipen naar de koude zijde. Deze directionele controle vangt de koelkracht effectief op waar deze nodig is en voorkomt het interne energieverlies dat dergelijke systemen gewoonlijk teistert.

Om dit concept tot leven te brengen, gebruikte het team een productietechniek genaamd zeefdruk, die veel wordt gebruikt voor het printen van printplaten maar zelden wordt toegepast op hoogwaardige thermo-elektrische materialen. Ze printten lagen van gespecialiseerde materialen op flexibele substraten, waardoor een apparaat ontstond dat niet alleen dun en buigzaam is, maar ook een poreuze structuur bezit die van nature de warmtestroom weerstaat. De gekozen materialen werden zorgvuldig geselecteerd om de elektrische stroom te maximaliseren en de thermische stroom te minimaliseren. Eén materiaal, een verbinding die bismuth, antimoon en telluur bevat, werd onder druk verwerkt om de interne kristallen zodanig uit te lijnen dat het vermogen om elektriciteit te dragen wordt geboost. Een ander materiaal, een ductiele verbinding van zilver en selenium, werd gekozen vanwege het vermogen om elektriciteit efficiënt te geleiden terwijl het flexibel genoeg blijft om te buigen zonder te breken. Het resultaat was een apparaat dat gebogen kon worden in een strakke curve met een straal van slechts 5 millimeter, wat de geschiktheid voor draagbare toepassingen bewees.

Toen de onderzoekers hun creatie testten, waren de resultaten opmerkelijk. Zonder het bevestigen van een extern koellichaam of een koelventilator, was het apparaat in staat de temperatuur te verlagen naar -7,03 graden Celsius in een kamer die ongeveer 22 graden Celsius was. Dit vertegenwoordigt een temperatuurverlaging van 29,25 graden, een prestatieniveau dat de prestaties van eerdere flexibele apparaten zonder zware koelbevestigingen overtreft. Sterker nog, het apparaat kon een temperatuurverschil van meer dan 65 graden tussen de hete en koude zijden handhaven. Misschien wel het meest indrukwekkend is dat het apparaat met een hoge efficiëntie werkte, wat betekent dat het zeer weinig elektriciteit gebruikte om deze koeling te bereiken, een metriek die bekend staat als de coefficient of performance die ongeveer 1,5 bereikt. Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van traditionele ontwerpen, die vaak moeite hebben om de efficiëntie te behouden naarmate het temperatuurverschil groter wordt.

De implicaties van dit werk strekken zich uit voorbij eenvoudige koeling. Omdat het apparaat elektriciteit kan genereren wanneer er een temperatuurverschil over het apparaat bestaat, hebben de onderzoekers ook de mogelijkheid getest om energie te oogsten uit het menselijk lichaam. Ze bevestigden een zeven-eenheden versie van het apparaat aan de arm van een persoon en mat het geproduceerde voltage terwijl de persoon stil zat en terwijl de persoon liep. Het apparaat genereerde een klein maar meetbaar elektrisch potentiaal in beide toestanden, waarbij de output toenam naarmate het lichaam bewoog en het temperatuurverschil groeide. Dit demonstreert dat dezelfde technologie die voor koeling wordt gebruikt, ook kleine draagbare sensoren kan voeden, wat een zelfvoorzienend systeem voor gezondheidsmonitoring creëert.

De onderzoekers geloven dat dit ontwerp de manier waarop we temperatuur beheren in het dagelijks leven en medische instellingen kan revolutioneren. Door de noodzaak van volumineuze koelhardware weg te nemen, opent de technologie de deur naar toepassingen die voorheen onmogelijk waren. Het apparaat zou gebruikt kunnen worden voor persoonlijke thermische beheersing, om de drager koel te houden in warme klimaten of warm in koude klimaten. In de medische sector suggereert het vermogen om temperaturen ruim onder het vriespunt te bereiken zonder zware apparatuur potentiële toepassingen voor de behandeling van sportblessures, het verminderen van zwellingen of het bieden van pijnverlichting door lokale koeling. Het team ziet zelfs gebruik ervan in chirurgische omgevingen, waar een draagbare, flexibele ijskap direct op een patiënt kan worden aangebracht zonder de logistieke last van traditionele koelunits.

Hoewel het huidige prototype een enkele eenheid is, hebben de onderzoekers aangetoond dat meerdere eenheden gecombineerd kunnen worden om de spanning voor energieopwekking te verhogen of het koeloppervlak voor grotere toepassingen te vergroten. Het gebruik van zeefdruk en veelvoorkomende materialen suggereert dat deze apparaten tegen lage kosten en op grote schaal geproduceerd kunnen worden, waardoor geavanceerde thermische beheersing toegankelijk wordt voor een breed scala aan gebruikers. Het werk beweert niet dat het alle problemen in de thermo-elektrische wetenschap heeft opgelost, maar het biedt een duidelijk en overtuigend pad voorwaarts. Door de interne structuur van het apparaat te heroverwegen om de richting van de warmtestroom te controleren, hebben de onderzoekers aangetoond dat flexibiliteit en hoge prestaties niet wederzijds uitsluitend zijn. Het resultaat is een technologie die niet alleen efficiënter is, maar ook meer mensgericht, in staat om zich aan te passen aan de vorm en de behoeften van het lichaam dat het dient.