Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Onderzoekers van de Universiteit van Colorado Boulder maken mooie nieuwe stappen met een oud idee: warmte omzetten in stroom met behulp van zogeheten rectennes.
Overal gaat energie verloren: van de grootste staalfabrieken tot de kleinste bakkerijtjes. Het is lastig om de warmte die daar vrijkomt nuttig te gebruiken, want de systemen die dat moeten doen zijn duur en dat wordt economisch gezien al snel oninteressant. De zogenoemde ‘optische rectennes’, ontwikkeld door mensen van de Amerikaanse Universiteit van Colorado Boulder kunnen daar verandering in brengen.
Het idee is niet nieuw. Rectennes (kort voor rectificerende antennes) werden al in 1964 bedacht door de ingenieur William (Bill) C. Brown die microgolven gebruikte om een kleine helikopter van energie te voorzien. De basis is redelijk eenvoudig; een antenne die straling absorbeert, en een diode die die energie omzet in gelijkstroom.
Lees ook:
Geesten
De antennes – vele malen dunner dan een menselijke haar en te klein om met het blote oog te zien – maken gebruik van een fenomeen dat resonant tunneling wordt genoemd. Daarbij gaan elektronen door vaste materie zonder energie te verliezen. “Ze gaan erdoorheen als geesten,” zegt hoofdauteur Amina Belkadi (foto hieronder), van het Department of Electrical, Computer and Energy Engineering.
“Rectennes werken een beetje zoals auto-radioantennes. Maar in plaats van radiogolven op te pikken en ze in muziek om te zetten, absorberen optische rectennes licht en warmte en zetten die om in energie.”
In de put
De aanpak van de wetenschappers is nogal contra-intuïtief. In een traditionele rectenne als die van Brown worden de elektronen door een isolator gejaagd om stroom op te wekken. Maar zo’n isolator levert nogal wat weerstand op, waardoor de energieopbrengst lager wordt. In plaats van één isolator gebruikten Belkadi en haar collega’s er twee.
Dat zorgde voor een zogenoemde ‘quantum put’. Als elektronen deze put met precies de juiste energie raken, kunnen ze die gebruiken om zich als het ware een weg door die twee isolatoren ‘resonant te tunnelen’. En dat zonder daarbij weerstand te ondervinden. De geesten van Belkadi dus.
De volle 1 procent
Bij wijze van test maakten de onderzoekers een netwerk van ongeveer 250.000 rectennes, die elk op een vlinderdasjes lijken. Toen ze die op een hete plaat in het lab legden, bleek dat de antennes…. drumroll… 1 procent van de warmte in stroom konden omzetten.
Nog niet echt iets om wildenthousiast van te worden, maar Belkadi denkt dat die cijfers alleen maar zullen stijgen. Door de isolators van andere materialen te maken, hoopt het team de quantumputjes dieper te maken. Want hoe dieper de putjes, hoe meer elektronen erin slagen om erdoorheen te komen en hoe groter de efficiëntie.
Die miniantennes kunnen volgens de onderzoekers grofweg 100 keer efficiënter worden dan soortgelijke ‘energieterugwinsystemen’. De rectennes zouden in theorie de warmte kunnen oogsten van allerlei industriële processen die anders verloren zou gaan. En als je nog iets meer je fantasie gebruikt zou je, zoals sommige wetenschappers doen, ook kunnen denken aan enorme luchtschepen die, uitgerust met een hele batterij aan antennes, hoog in de aardse atmosfeer zonne-energie opvangen.
Beter en slechter
Zover is het nog niet. Belkadi: “We hebben aangetoond dat elektronen resonant tunneling ondergaan in een optische rectenne”, zegt de onderzoeker. “Tot nu toe was dit alleen een theoretische mogelijkheid.” Het wordt nog een flinke uitdaging om de antennes zo te maken dat ze een nuttig bijdrage gaan leveren aan de energievoorziening.
Belkadi: “De weerstand van zo’n apparaat moet heel laag zijn, maar het moet ook heel gevoelig zijn voor licht. Alles wat je doet om het op de ene manier beter te maken, maakt de andere slechter.”
Bronnen: Eurekalert/ Universiteit van Colorado Boulder
Beeld: Universiteit van Colorado Boulder