”Det har fascineret forskere i mange år, at man skal få modstridende materialeparametre til at gå op,” siger Bo Brummerstedt, der forsker i termoelektriske materialer, der er gode til at lede strøm, men dårlige til at lede varme. Foto: Martin Dam Kristensen
I 1977 blev rumsonden Voyager 1 opsendt fra Kennedy Space Flight Center. Siden da har den været undervejs på sin rejse længere og længere ud i rummet. Når man betænker, hvor besværligt det ville være at udskifte en reservedel på rumsonden, der i dag befinder sig mere end 17.000 mio. km fra Jorden, er det let at forestille sig, at man går efter de allermest driftsstabile komponenter, når man skal bygge en rumsonde.
En af de komponenter, der er med til at sikre Voyager 1’s store driftsstabilitet, er en termoelektrisk generator. Generatoren består ikke af mekaniske dele, der bevæger sig og bliver slidt, men af materialer, der har den særlige egenskab, at de kan lave varme om til strøm. Ud over at være en ekstremt driftsstabil teknologi er det også en ekstremt miljøvenlig teknologi, da den ikke genererer noget affald. Det til trods er teknologien ikke særlig udbredt. Effektivitets- og prismæssigt er den ikke konkurrencedygtig, men potentialet er, at den kan anvendes alle de steder, hvor der genereres spildvarme. Fx er bilbranchen meget interesseret i teknologien, da 2/3 af en bils benzinforbrug i dag går til spildvarme.
”NASA er jo ligeglade med prisen”
Bo Brummerstedt Iversen, der er professor ved Aarhus Universitetet, har skrevet doktorafhandling om termoelektriske materialer og beskæftiget sig med, hvordan man kan få både anvendelse og pris ned på jorden:
”NASA er jo ligeglade med prisen. Hvis man kan lave en generator med en helt anden pris, som man kan implementere i industrielle processer, så er det kun fantasien, der sætter grænser for, hvad man kan gøre med teknologien,” fastslår professoren, der for nylig indleverede og forsvarede sin doktorafhandling på DTU.
” – Fordi DTU er Danmarks Tekniske Universitet. Jeg syntes, det var det mest naturlige, når man skal indlevere en afhandling med teknisk-kemisk forskning,” siger han.
En indre modstrid
Forskningen i Bo B. Iversens doktorafhandling har først drejet sig om at finde frem til termoelektriske materialer, der kan konvertere varme til strøm – og i øvrigt ikke er for dyre. Dernæst om at opnå en grundlæggende forståelse af, hvorfor materialerne virker. Det første er der en indre modstrid i:
”Et termoelektrisk materiale skal have en god elektrisk ledningsevne, men en dårlig termisk ledningsevne. Det er svært – de fleste materialer, fx metaller, der har en god elektrisk ledningsevne, har også en god termisk ledningsevne. Den indre modstrid, der er i optimering af termoelektriske materialer, er en stor udfordring rent fagligt,” fortæller forskeren om et felt, der af samme grund har fascineret forskere i mange år.
Hvordan man – i hvert fald i teorien – kan designe et sådant materiale, giver titlen på Bo B. Iversens doktorafhandlin svaret på: ”Phonon-Glass Electron-Crystal Materials for Thermoelectric Energy Conversion”. Forfatteren forklarer:
”Den dårligste termiske leder er glas, for der er ingen krystallinsk orden. Derfor kan fononerne, der bærer varmen, ikke brede sig. Det kalder man fonon-glas. Men elektronerne, som bærer den elektriske ladning, ledes bedst i en krystal. Det kalder man elektron-krystal.”
Tilsammen giver det ”Phonon-Glass Electron-Crystal Materials”. Med til dette designkoncept, der blev præsenteret af en amerikansk forsker i midthalvfemserne, fulgte en hypotese om, hvordan man kunne frembringe et sådant materiale. For at forstå den skal man vide, at et materiale især leder varme, når atomerne i materialet svinger i takt. Den hypotetiske idé bestod i at lave en krystal bestående af et netværk af atomer – som elektronerne kan passere imellem – og samtidig at give krystallen en åben struktur, hvor man kan putte såkaldte ”gæsteatomer” ind. Gæsteatomerne har den egenskab, at de vibrerer ude af takt med resten af krystallen og på den måde rasler gittersvingningerne ud af takt. Resultatet er, at elektronerne bliver ledet gennem krystallen, mens fononerne bliver stoppet af gæsteatomerne.
Sandheden er i detaljen
Under arbejdet med sin doktorafhandling har Bo B. Iversen udviklet og beskrevet to termoelektriske materialer. Det ene, zinantimonid, som senere er blevet patenteret, udmærker sig ved at være et af de billigste termoelektriske materialer, der kendes. En stor del af arbejdet har bestået i at finde ud af, hvorfor de termoelektriske materialer virker.
”Vi skal forstå, hvordan materialet virker, hvis vi rationelt skal forbedre det. Vi kan bare prøve os frem, men hvis vi skal gøre det på fornuftig vis, så må vi forstå mekanismerne. Sandheden er i detaljen,” siger forskeren og fortsætter:
”Der er alt for mange vilde teorier og hypoteser. Det er let at lave hypoteser, når man ikke ved noget. Hvis man ved, hvad krystalstrukturen er, så begrænser det udflugterne, ” siger professoren, der selv er kommet langt i kraft af, at han har kunnet trække på sine erfaringer som krystallograf: Inden hans forskning for ti år siden tog en drejning og blev meget mere teknisk-kemisk, erhvervede han en dr.scient. i krystallografi.
”Jeg lader mig begejstre, og jeg lod mig begejstre,” lyder hans forklaring på, hvad der fik ham til at kaste sig over et nyt forskningsfelt. Og netop begejstringen, i en meget umiddelbar form, overmander ham, efter talen et stykke tid har gået på, hvad der er drivkraften i hans arbejde:
”Jeg tror da, at for alle sådan nogle som mig – er det ikke bare, fordi det er sjovt? Det er det da. Vi havde jo ikke studeret i 25 år, hvis vi ikke syntes, det var sjovt.”