Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Røntgen afslørede, hvorfor termo-elektrisk materiale tog skade af varme

En meget kraftig røntgenstråle og nogle opfindsomme kemikere på Aarhus Universitet gav TEGnology ApS svar på, hvorfor firmaets termoelektriske materialer havde kort levetid. Samarbejdet gennem LINX resulterede i en ny analysemetode til gavn for hele materialeforskningen.

Termoelektrisk materiale i moduler: En såkaldt Power Brick fra TEGnology, som kan omdanne varme til strøm. Det lille modul er beregnet til applikationer med lavt strømforbrug, såsom trådløse temperatursensorer eller termostater. Grafik: TEGnology

Termoelektriske materialer kan omdanne varme til elektricitet, og det er der store muligheder i, for over halvdelen af den producerede energi i verden ender som spildvarme. Universiteter og virksomheder verden over forsker derfor i at udvikle materialer, som er effektive og billige nok til at kunne bidrage til fremtidens grønne energisystemer.

Det er bare ikke let. Materialet skal nemlig på én gang have en høj elektrisk ledningsevne, en lav varmeledningsevne og (naturligvis) en kemisk sammensætning, der sætter det i stand til at omdanne varmeenergi til elektrisk energi.

Og så skal materialet selvfølgelig kunne holde til de høje temperaturer dér, hvor det skal bruges.

Lige det med temperaturen viste sig at være et problem for det ellers lovende materiale zinkantimonid (Zn4Sb3), som i 2012 blev grundlaget for firmaet TEGnology ApS i Hedensted. Firmaet udvikler og sælger termoelektriske materialer og komponenter, som ganske effektivt kan veksle varme til elektricitet. Desværre viste det sig, at materialet blev nedbrudt under høje temperaturer.

Forskere til hjælp

To små tårne af messing står over for hinanden med et par millimeters mellemrum, og med et lille bånd af termoelektrisk materiale spændt ud mellem sig. I baggrunden en hvid cylinder med et lille hul, der kan sende kraftig røntgenstråling.
Et billede af prøvepositionen i det nye setup. Her skal prøven monteres mellem to tårne, der kan have hver sin temperatur. På prøvens top placeres 2x2 prober, som måler prøvens elektriske modstand og Seebeck koefficient. I baggrunden ses mundingen fra den indkommende stråling. Når strålen rammer prøven sker der et spredningsfænomen, og den spredte stråling opsamles med en detektor. I dette billede er detektoren placeret bag kameraet. Foto: Lasse Rabøl Jørgensen

For at finde årsagen havde TEGnology behov for at kigge ind i zinkantimonid’en, mens materialet var i brug under høje temperaturer.

Det kræver bl.a. en meget kraftig røntgenstråle, så TEGnology henvendte sig til samfundspartnerskabet LINX (Linking Industry to Neutrons and X-rays, se "Fakta om LINX"), som satte firmaet i kontakt med Center for Materialekrystallografi på Institut for Kemi.

Her har man adgang til verdens kraftigste synkrotron-baserede røntgenkilder. Men for at finde ud af, hvorfor materialet blev nedbrudt, måtte forskerne udvikle en metode til at efterligne de betingelser, som det bliver udsat for, når de bruges i industrien. Med andre ord: zinkantimonid-prøverne skulle varmes op til 400-500 grader i den ene ende, og være kolde i den anden, mens de blev belyst med den voldsomme røntgenstråling.

Et nyt instrument til det hele

Det lykkedes ved, kort fortalt, at udvikle et instrument, som på én gang kunne

  • varme prøven op, enten helt eller i den ene side for at skabe en varmegradient
  • måle den elektriske modstand i prøven
  • måle prøvens evne til at omdanne en temperaturforskel til elektrisk strøm (Seebeck-koefficienten)
  • placere prøven mellem enden af en strålelinje i en synkrotron og en detektor, der kan registrere strålingens spredning, efter at den har ramt prøven. I dette tilfælde har de benyttet synkrotronen Petra III i Hamborg.

… hvorefter forskerne med to forskellige analysemetoder – pulverdiffraktion og PDF (Pair Distribution Function) – kunne kigge både på de krystallinske og amorfe komponenter og få et fuldendt billede af hele prøven.

Vandrende ioner

Og hvad viste billedet så?

At det elektriske potentiale, som materialet skaber under opvarmningen, får zinkioner til at vandre. Det får de zinkfattige materialer i prøven til at ændre sig, og så går det i stykker.

”Det er et værktøj, vi ikke har brugt før, til at observere noget, vi ikke har kunnet forklare før. Vi kan kigge på meget små ændringer, små udvidelser, bevægelser af atomer, som man ikke kan se ellers,” forklarer ph.d.-studerende Lasse Rabøl Jørgensen, som var med til at udvikle instrumentet.

Værktøjet kan anvendes inden for alt, der har med ion-ledning at gøre, i materialeforskningen, f.eks. til at analysere ferro-elektriske materialer, piezo-elektriske materialer og elektrolytter i batterier.

Selve undersøgelsen af zinkantimonid resulterede i en artikel i det videnskabelige tidsskrift IUCrJ.

Direktør: Samarbejdet betyder alt

Siden har forskergruppen undersøgt andre prøver fra TEGnology, i forbindelse med firmaets udvikling af nye systemer.

TEGnologys teknologichef og medejer, Hao Yin, er begejstret for samarbejdet.

”Det har betydet alt for vores fremtid. For et lille opstartsfirma som TEGnology kan kun én ting sikre vores udvikling, nemlig teknologien. Når vi snakker med kunder, investorer og partnere, betyder samarbejdet, at vi har adgang til state of the art forskning, udvikling og resultater. Vi er et hi-tech firma, som er baseret på et patent, der efterhånden er ti år gammelt, og når ny teknologi bliver gammel teknologi, er vi nødt til at følge med i højhastigheds-forskning og udvikling. Det får vi på Aarhus Universitet gennem LINX,” siger Hao Yin.