Framtidens el kommer från tryckt elektronik

På labbet i Norrköping ligger ett rödrutigt plastark som klarar konststycket att omvandla en temperaturskillnad till en fullt mätbar elektrisk ström. Den tryckta termoelektriska generatorn är resultatet av forskning, ledd av docent Xavier Crispin.

Tänk dig ett klockarmband som tar upp värme från huden, omvandlar den till elektricitet och som driver själva klockan.  Eller ett par skor som tar upp fotvärmen när du springer och omvandlar den till elektricitet som laddar din mobiltelefon.

De här applikationerna finns redan i dag och gemensamt för dem är att de bygger på termoelektriska material, oftast om metaller som är så beskaffade att de leder ström olika väl beroende på temperatur.  Det är sedan skillnaden mellan ledningsförmågan i den kalla och den varma delen som ger upphov till den elektriska spänning som utnyttjas för att ladda telefoner, klockor och annat smått och gott. Samma fenomen utnyttjas även i en vanlig stektermometer.

Fenomenet som sådant blir allt hetare och applikationer dyker upp inom allt fler områden.  Xavier Crispin, docent på Linköping universitet, campus Norrköping, har dock tänkt ett steg vidare.

- Jag stannade till på väg till jobbet, det är lugnt och fri sikt där och jag behövde tänka, berättar han.

Han började fundera över all värme som spills ut till ingen nytta, från värmeverk, bilmotorer och på andra ställen där förbränning sker. Och på hur man skulle kunna använda tryckt organisk elektronik för att ta tillvara värmen. Kunde rentutav de ledande polymererna också bli termoelektriska? Och skulle det i så fall vara möjligt att ta tillvara spillvärme och omvandla den till elektricitet?

Han började experimentera med olika material och svaret på båda frågorna blev: Ja, det är möjligt.

Den värme som finns i heta rökgaser tas idag tillvara med hjälp av värmeväxlare, men de fungerar inte vid låga temperaturer, vilket däremot plastmaterialen gör.

- Materialen degenerera snabbare ju hetare det är, men upp till 200°C är inga problem, försäkrar Xavier Crispin.

Termoelektriska generatorer som fungerar i temperaturer mellan 40° och 250° finns också på marknaden, men de tillverkas av en legering av vismut och tellur, två ämnen som både är giftiga och sällsynta och därmed också rysligt dyra. Generatorerna används främst för att generera el i rymden.

Tack vare att de ledande polymererna är billiga och att de termoelektriska generatorerna skulle gå att trycka inom Printed Electronics Arena, PEA, i Norrköping skulle de också kunna täcka stora ytor, till exempel kyltornen vid de stora europeiska kraftverken. Varje liten generator blir inte så effektiv, men med många tillsammans blir effekten desto bättre.

- En mer näraliggande applikation finns kanske inom medicintekniken, där en mjuk termoelektrisk platta kan fästas på bröstet och där värmen från huden används både för att driva sensorerna och skicka informationen från dem trådlöst till en dator, säger Xavier Crispin.

En annan, näraliggande applikation, kan vara att utnyttja en större del av solinstrålningen och kombinera de termoelektriska materialen med solceller.

En prototyp till en termoelektrisk generator finns framme, den är ännu inte lika effektiv som de kommersiella i vismut/tellur, men visar ändå att principen billiga material och enkel, billig tillverkning fungerar.  Idag levererar den tryckta generatorn ungefär 200 nW/cm2 vid 10 graders temperaturskillnad.

Tack vare ett femårigt forskningsanslag från europeiska forskningsrådet, ERC, kan Xavier Crispin nu såväl köpa in labbutrustning för ett par miljoner kronor som utöka forskargruppen. Idag sysselsätter projektet, förutom Xavier Crispin själv, en forskare och tre doktorander, men inom kort ska gruppen bestå av ytterligare två doktorander och två disputerade forskare.

- Vi kommer att kunna sätta upp helt unika experiment för att karakterisera de termoelektriska egenskaperna hos tunna filmer av organiska ledande material.

Hur lång tid tar det då innan de termoelektriska generatorerna i ledande plastmaterial finns kommersiellt tillgängliga?

Xavier Crispin väjer inte för frågan.

- Om man ser till de vita lysdioderna så tog det ungefär 20 år innan de kom ut på marknaden, men det här borde gå betydligt snabbare eftersom produktionsprocessen hos PEA redan är klar och dessutom designad för just våra material. 

Text: Monica Westman Svenselius
Foto: Ida Ling Flanagan

LiU Magasin nr 4 2012

2012-12-20