Thermo-elektrische generatoren halen elektriciteit uit een kopje (warme) koffie

Zogeheten thermo-elektrische generatoren zetten omgevingswarmte om in elektriciteit. Ze kunnen worden gebruikt om stroom te leveren aan een breed gamma van toepassingen. Van draagbare toestellen en sensoren tot afgelegen elektronicasystemen zoals satellieten. Maar om deze toepassingen in de praktijk te brengen, moeten ze aan een aantal voorwaarden voldoen. De generatoren moeten flexibel zijn, en beschikbaar zijn in tal van verschillende vormen. Bovendien moeten ze relatief makkelijk te produceren zijn. Materiaalonderzoekers aan de KU Leuven hebben deze vereisten aangepakt door een vernieuwend productieproces te ontwikkelen.

Een temperatuurverschil van een paar graden volstaat om een bruikbare hoeveelheid elektrische stroom op te leveren. Bijvoorbeeld om een lamp te laten branden of een draagbaar toestelletje of een sensor te laten werken. Materialen die warmte in elektriciteit omzetten, worden thermo-elektrische generatoren genoemd. Ze kunnen worden gemaakt van metaal of halfgeleidermateriaal en hebben gewoonlijk een klein formaat. Daardoor kan men met die generatoren de omgevingswarmte benutten die overal rondom ons beschikbaar is. Zelfs op ons lichaam – dat uiteraard voortdurend warmte produceert. Het grote voordeel van thermo-elektrische generatoren? Ze kunnen toestellen van stroom voorzien zonder stroomdraden of batterijen.

Thermo-elektrische generatoren

Maar vóór dergelijke toestellen zonder draden of batterijen kunnen worden gebouwd, moeten eerst de juiste thermo-elektrische generatoren beschikbaar zijn. Flexibiliteit en veelzijdigheid zijn hier van belang. Thermo-elektrische generatoren moeten in heel wat verschillende vormen worden gemaakt en flexibel zijn. Dat laatste in het bijzonder is momenteel nog een aanzienlijke uitdaging: de bestaande thermo-elektrische generatoren zijn vaak heel stijf of star en breken bij de geringste vervorming.

Metaalpoeder op een plasticfilm

Maar dat is niet het geval met de generatoren die de groep van Francisco Molina-Lopez ontwikkelde. Molina-Lopez is docent aan het departement materiaalkunde van de KU Leuven. De materiaalonderzoekers bedachten een nieuwe methode om snel en relatief eenvoudig thermo-elektrische generatoren te produceren. Daartoe smelten ze metaalpoeder op een plasticfilm door middel van laagsgewijze productie met behulp van laserlicht. De thermo-elektrische generatoren worden op die manier ‘gedrukt’ in de vorm van platte strips. De strips kunnen met kleefband worden aangebracht op oppervlakken die warmte afgeven. Doordat ze plooibaar zijn, mogen die oppervlakken ook gebogen zijn.

Koffiemok

De onderzoekers demonstreerden dit door hun thermo-elektrische generatoren op een koffiemok te plakken. De inhoud daarvan gaf genoeg warmte af om een aantal microwatt elektriciteit te produceren. De hoeveelheid is voldoende voor een rekenmachine, een elektronisch horloge of een RFID-tag. Bij een andere demonstratie bracht een onderzoeker strips op zijn arm aan, waarna hij zijn ‘eigen’ elektriciteit opwekte.

Materiaal met thermo-elektrische eigenschappen

De strips zijn gemaakt van bismuttelluride, een materiaal dat bekendstaat om zijn thermo-elektrische eigenschappen. ‘We gebruiken dit materiaal als standaard,’ legt Molina-Lopez uit, ‘omdat het met voorsprong het beste is voor thermo-elektrische generatoren bij kamertemperatuur. Maar we hopen het productieproces in de toekomst naar andere materialen uit te breiden.’ Een van de voordelen van het nieuwe proces is dat grote stukken thermo-elektrisch materiaal in relatief korte tijd kunnen worden geprint.

Hergebruik

Bovendien kan het overgebleven geprinte materiaal op de plasticfilm hergebruikt worden. ‘We verspillen dit kostbare materiaal dus niet tijdens het productieproces.’ Molina-Lopez en zijn collega’s lieten zien dat ze de resten van het materiaal meermaals kunnen hergebruiken zonder prestatieverlies. In een volgende stap willen ze hun methode en ontwerp verbeteren om ook het materiaal van uit bedrijf genomen thermo-elektrische generatoren te recycleren.

Bron en foto’s: KU Leuven