21/01/2021
Door Ad Spijkers
Nieuwe printbare thermo-elektrische materialen zouden een mijlpaal kunnen zijn voor het gebruik van goedkope thermo-elektrische generatoren (TEG's).
Thermo-elektrische generatoren zetten omgevingswarmte om in elektrische energie. Ze bieden een onderhoudsvrije, milieuvriendelijke en zelfvoorzienende stroomvoorziening voor het almaar groeiende aantal sensoren en apparaten voor het internet der dingen (IoT) en een manier om afvalwarmte terug te winnen. Wetenschappers van het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hebben driedimensionale componentenarchitecturen ontwikkeld met nieuwe, printbare thermo-elektrische materialen. Deze zouden een mijlpaal kunnen betekenen voor het gebruik van goedkope TEG's.
Thermo-elektrische generatoren kunnen thermische energie direct omzetten in elektrische energie. Deze technologie maakt het mogelijk om energie-autonome sensoren voor het Internet of Things of in wearables, zoals smartwatches, fitnessarmbanden of digitale brillen zonder batterijen te laten werken. Bovendien zouden ze kunnen worden gebruikt bij de terugwinning van afvalwarmte in de industrie en in verwarmingssystemen of geothermische energie.
Nieuwe drukprocédés
Conventionele TEG's moeten worden geassembleerd uit afzonderlijke onderdelen met behulp van relatief complexe fabricageprocessen. Om dit te omzeilen, hebben onderzoekers aan het KIT nieuwe printbare materialen onderzocht. Ze hebben behalve twee innovatieve processen zowel organische als anorganische inkten op basis van nanodeeltjes ontwikkeld. Deze zouden kunnen worden gebruikt om goedkope, driedimensionaal gedrukte TEG's te produceren.
De eerste methode maakt gebruik van zeefdrukken om een 2D-patroon van thermo-elektrische drukinkten aan te brengen op een ultradunne flexibele substraatfilm. Deze wordt vervolgens met behulp van origamitechniek opgevouwen tot een kubusvormige generator ter grootte van een suikerklontje. De KIT-wetenschappers ontwikkelden deze methode in samenwerking met het InnovationLab in Heidelberg en een spin-offbedrijf van het KIT. Bij de tweede methode printen de onderzoekers eerst een 3D-basisframe waarop ze vervolgens de thermo-elektrische inkt aanbrengen.
Kostenbesparingen
Schaalbare fabricageprocessen, zoals printen in een rol-naar-rol zeefdrukproces of in moderne additieve fabricage (3D-printen), zijn sleuteltechnologieën. De nieuwe fabricageprocessen maken niet alleen een kosteneffectieve en schaalbare productie van deze TEG's mogelijk. De printtechnologieën brengen ook de mogelijkheid om component individueel aan de respectievelijke toepassingen binnen bereik.
De onderzoekers benadrukken dat ze er hard aan werken om gedrukte thermo-elektrische materialen commercieel beschikbaar te maken.