Kleine apparaten zoals sensoren van elektriciteit voorzien zónder batterijen, maar met een microgenerator die gebruikmaakt van temperatuurverschil. Daniel Vakulov ontwierp zo’n microgenerator tijdens zijn promotieonderzoek aan de TU Eindhoven.

De microgenerator werkt op basis van nanodraadjes die op een efficiënte manier de energie uit warmte uit de omgeving omzetten in elektriciteit. Dinsdag promoveerde de technisch natuurkundige op zijn ontwerp.

Energie die verloren gaat in warmte, opvangen met een thermo-elektrische generator, dat kon al. Maar nog niet eerder werd gebruikgemaakt van nanodraadjes om elektriciteit te genereren voor kleine apparaten. ‘Nanodraden van geleidend materiaal zijn zeer geschikt om warmte-energie om te zetten in elektriciteit, vanwege hun specifieke eigenschappen’, mailt Vakulov.

De microgenerator kan bijvoorbeeld elektriciteit leveren voor thermometers of andere soorten sensoren die draadloos meetwaarden moeten doorgeven via internet. Dit soort sensoren werkt nu nog op batterijen.

Die hebben echter de eigenschap dat ze leeg raken en moeten worden vervangen. ‘Ons prototype is veelbelovend voor de opmars van het Internet of Things, de talloze elektronische apparaten die van energie moeten worden voorzien.’ Zo kwam Vakulov met zijn ontwerp dat fungeert als autonome micro-energiebron, een makkelijkere én duurzamere manieren om dit soort kleine apparaten van energie te voorzien.

 

Geen batterijen nodig

De microgenerator berust op het thermo-elektrische effect: als je warmte-energie toevoegt aan een materiaal en het materiaal kan deze energie niet kwijt, kan het worden omgezet in elektrische stroom. ‘Een thermo-elektrische generator heeft altijd een verschil in temperatuur nodig om zijn werk te kunnen doen’, licht Vakulov toe. Het temperatuurverschil tussen het oppervlak waaraan de generator vast zit en de buitenlucht wordt als het ware opgevangen in de generator.

Het minuscule energiegeneratortje waarop Vakulov is gepromoveerd, plak je in een elektronische chip. Het enige wat je nog nodig hebt, is een temperatuurverschil van minimaal drie graden Celsius. Zolang het oppervlak van bijvoorbeeld een wand of het plafond een lagere temperatuur heeft dan zijn omgeving, hoef je dus geen batterijen meer te vervangen.

 

De minuscule energiegeneratortjes zitten in hokjes op een doorzichtig velletje dat eruit ziet als plakband. Elk hokje is een microgenerator die ongeveer een miljoen nanodraden bevat. Dat is ongeveer tien keer zoveel nanodraden als haren op je hoofd, per vakje. Beeld: Daniel Vakulov

 

Fijner dan haarfijne nanodraadjes

Nanodraadjes zijn fijner dan haarfijn, wel driehonderd keer zo klein als een haar. De nanodraadjes staan als grassprietjes op een veld en steken verticaal op uit het oppervlak van de generator. Zo gaan de draadjes met miljoenen tegelijk aan het werk als energie-opwekkers. In een chemisch lab worden de draadjes gemaakt van geleidend materiaal. De eigenschappen van dit soort materialen veranderen als ze nanodraadjes worden.

Vakulov deed veel onderzoek naar de specifieke eigenschappen van nanodraadjes. Hij legt uit dat het materiaal van de draadjes in zijn prototype de perfecte dimensies heeft om efficiënt elektriciteit op te wekken: de draadjes zijn te dun om te trillen, dus ze verliezen geen warme-energie door beweging, maar ze zijn wel dik genoeg om elektriciteit te geleiden.

 

Zonnepanelen en mobiele telefoons opladen

Een andere toepassing van de microgenerator met nanodraden is om de generator op zonnecellen te plakken. Restwarmte van de zonnepanelen kan dan worden omgezet in elektriciteit in de generator. In de onderzoeksgroep zijn ze nu nog druk bezig met de verbetering van het eerste prototype.

‘Er is een nieuw project in onze onderzoeksgroep gestart, waarbij we ons focussen op nieuwe materialen om nanodraadjes van te maken. Deze materialen zetten mogelijk nóg efficiënter energie om dan het huidige prototype doet’, vertelt Vakulov. ‘Mogelijk kan de thermo-elektrische generator met de juiste materialen voor de nanodraadjes ook grootschaligere elektronische apparaten van energie voorzien, zoals mobiele telefoons’.

 

Beelden: Bart van Overbeeke en Daniel Vakulov