Vil lage strøm av varmen fra mobiler og pc-er

Det er velkjent at man kan produsere elektrisk strøm av varme. Dagens teknologi for termoelektrisitet er imidlertid ikke spesielt effektiv. Sammen med to tyske samarbeidspartnere og tre doktorgradsstudenter skal forskere ved Universitetet i Agder (UiA) undersøke en klasse materialer som kalles antiferromagneter. Mye energi går til spille ved bruk av mobiltelefoner og datamaskiner. Forskerne håper det skal være mulig å utnytte denne varmen til strømproduksjon.

Arbeidet skal ledes av professor Kjetil Magne Dørheim Hals, som mener elektronikk ikke kan fungere helt uten varmetap, men at det er viktig å se på metoder for å fange opp dette tapet uten at det svekker ytelsen til apparatene. Han mener dagens teknologi for å utnytte varme til strømproduksjon ikke er spesielt effektiv.

Doping av elektroner

Hals forteller at termoelektrisk energi med dagens teknologi skapes ved å seriekoble elektrondopet og hulldopede halvledere. Dopingen gjør at det legges inn ujevnheter i materialene, og resultatet blir at man kan generere strøm fra varme. Når et termoelektrisk materiale varmes opp på den ene siden og avkjøles på den andre, settes elektroner i bevegelse, og det genereres strøm. Jo større temperaturforskjellen er, jo mer strøm blir det produsert.

– Dette er ekstremt mye brukt kommersielt, forteller han.

Nå vil forskerne gå nye veier og prøve å utnytte den termoelektriske effekten på en annen måte.

– Dette er grunnforskning. Vi skal se på om det er mulig å utnytte spinneffekten til elektronene. I tradisjonell elektronikk utnytter man lade-egenskapene til elektronene. Nå ønsker vi å ta i bruk elektronenes spinnegenskaper.

Spinnhalleffekten

Fysikkprofessoren fra UiA forklarer at elektronene spinner rundt sin egen akse. Spinneffekten innebærer at temperaturgradienten kan generere spinnstrøm. Elektronets spinn gir opphav til et magnetisk moment, noe som igjen kan konverteres til et elektrisk signal.

Fenomenet er kjent som spinnhalleffekten, og teorien ble presentert og gjort kjent allerede i 1971 av de russiske fysikerne Mikhail I. Dyakonov and Vladimir I. Perel. I korthet går effekten ut på at elektrisk strøm som sendes inn i et materiale, fører til en oppsamling av spinn på kantene til materialet. De motsatte overflategrensene vil ha spinn med motsatt fortegn. Spinnstrøm som sendes inn i et materiale, fører til en oppsamling av elektrisk ladning på kantene til materialet.

Professoren og hans doktorgradsstudenter vil undersøke mineraler av typen antiferromagneter. Hals presiserer at det foreløpig er veldig mye de er usikre på, blant annet hvor mye strøm det er mulig å hente ved hjelp av denne teknologien.

– Dette er ikke mye kjent. Hvor mye vi kan få ut på denne måten, er noe av det vi skal finne ut. Vi skal utvikle teorien for dette og gjøre noen eksperimenter.

Antiferromagneter

I et permanent magnetisk materiale er det først og fremst elektronspinn som skaper magnetiske krefter. Da peker alle elektronspinnene i samme retning.

I et antiferromagnetisk materiale er det annerledes. Da innrettes elektronspinnene i stedet i et repeterende, antiparallelt mønster.

– I antiferromagneter er spinn ordnet i et gitter. Nabogitteret vil peke i motsatt retning. Eksempel på antiferromagneter er mangan i forskjellige varianter og iridium. Det er ganske vanlige materialer, sier Hals.

Han forklarer at de først vil bruke varme til å skape spinn, noe som er en helt ny mekanisme.

– Vi vet ikke hvor effektivt dette er, men med denne teknologien trenger vi ikke seriekobling av hulldopede halvledere. Vi bruker antiferromagnetisk film i kontakt med tungmetall. Vi kan legge tynne filmer oppå hverandre. De er bøyelige og kan legges på de fleste materialer, forklarer han.

Fysikeren tror dette kan bli et godt alternativ til tradisjonell termoelektrisk effekt.

– Forhåpentlig vil det gi høyere effekt. Det viser ganske høye verdier. Slik kan vi utnytte overskuddsvarmen som ellers bare vil gå til spille.

Artikkelen ble først publisert i TU-magasinet, nr. 10/2022