Gekooide atomen zetten warmte om in stroom

Hoe kun je nutteloze restwarmte omzetten in bruikbare elektriciteit? Door materialen te ontwerpen die zoiets voor je doen. Dat is in elk geval de oplossing die materiaalexperts van de Technische Universiteit Wenen hebben gekozen. In de glimmende spiegeloven hiernaast bakten zij uit goud, silicium en barium een speciaal kristal dat ceriumatomen gevangen houdt (de plaat onder de oven). Zo’n met cerium volgepakt kristal is een efficiënte bron van thermo-elektrische energie, constateerden ze daarna (Nature Materials, 22 september).

Het kristal uit Wenen is een ‘clathraat’: een kooicomplex op nanoschaal, met in elk van de talloze kooitjes één enkel ceriumatoom. Dat leidt al met al tot een gunstige combinatie van eigenschappen: het clathraat geleidt warmte slecht, maar elektronen bewegen er juist gemakkelijk doorheen. En nog iets: deze twee eigenschappen worden robuuster naarmate het materiaal warmer wordt, en de ceriumatomen dansen daardoor wilder in hun kooitjes heen en weer.

Hoe kun je hiermee elektriciteit opwekken? Zo: als het clathraat aan één kant warm wordt (omdat het zich daar bij een bron van restwarmte bevindt), dan zullen elektronen aan die zijde beweeglijker worden. Zo belanden ze vaker aan de koude kant van het kristal. En zo ontstaat dan een spanningsverschil, een bron van elektrische energie.

De ingevangen cerium-atomen zorgen er intussen voor dat dit proces efficiënt blijft verlopen, zelfs als de temperatuur lokaal tot honderden graden Celsius oploopt. Het team oppert dat dat komt door een quantummechanische koppeling tussen cerium- en buuratomen, die verder alleen bij ultrakoude materialen optreedt (het ‘Kondo-effect’). Nadelen zijn er ook: het goud en cerium maken het kristal te duur voor grootschalige toepassing.

Margriet van der Heijden