Han vill ta vara på den bortslösade energin

Överallt omkring oss, i hemmet, på arbetsplatsen och i industrin alstras värme som inte går att använda till något. Mängder av energi går till spillo. Som Wallenberg Academy Fellow vid Linköpings universitet vill Per Eklund utveckla material som gör om värmen till elektricitet.

Per Eklund

Docent i materialvetenskap, främst tunnfilmsfysik

Wallenberg Academy Fellow 2015

Lärosäte:
Linköpings universitet

Forskningsområde:
Termoelektriska material

När Per Eklund under studierna i Linköping började läsa experimentell fysik kände han direkt att det här, det var verkligen kul. Han doktorerade i ett projekt där han fick lära sig att tillverka extremt tunna lager av material som skulle användas i elektriska kontakter. Efter det forskade han ett par år i Danmark, och den sista pusselbiten föll på plats: han ville jobba med termoelektriska material.

– Alla som haft en laptop i knät vet att den blir varm efter ett tag. Termoelektricitet handlar om att utveckla material som kan omvandla värmen, eller egentligen värmeskillnaden mellan olika delar av materialet, till elektricitet, säger Per Eklund.

Termoelektriska material är inget nytt, de har använts redan 1960-talet i exempelvis rymdsonder. Men tillämpningarna är begränsade. Tillverkningen är dyr och miljöfarlig, och kräver dessutom råmaterial som det finns så lite av i naturen att masstillverkning skulle vara omöjlig.

Om Per Eklund och hans kollegor kan framställa termoelektriska material utan de nackdelarna, skulle materialen kunna användas på mycket fler områden.

Svårtillgängliga platser utan sol eller elnät

– Termoelektroniska komponenter behövs främst när man inte har tillgång till elnätet. I många sammanhang är solceller det bästa, men om man inte kan räkna med solen och batterier är ett dåligt alternativ, då är det nästan bara termoelektriska strömkällor som fungerar.

Ett exempel är sensorer på svårtillgängliga platser, som i en hög skorsten. Där vill man inte klättra upp för att byta batterier. Istället kan temperaturskillnaden mellan skorstenens väggar användas för att driva termoelektronik. Militärutrustning är ett annat exempel. Militären arbetar ofta i områden där de inte har kontakt med elnätet. De måste kunna lita på att deras utrustning fungerar perfekt oavsett väder – och priset är sällan viktigt, konstaterar Per Eklund.

– Visst vore det fantastiskt att få se termoelektricitet i bilar och flygplan också, men det ligger mycket längre bort i tiden. De branscherna är väldigt priskänsliga.

Per Eklund är dock inte främmande för stora visioner. Det förstår man inte minst av titeln på den föreläsning han höll när han utsågs till docent år 2010:

”Termoelektriska material, eller Hur man kan använda fasta tillståndets fysik, termodynamik och nanoteknik för att stoppa den globala uppvärmningen och resa till Mars”.

Måste arbeta på olika längdskalor

Elektricitet är elektroner som rör sig, medan värme innebär rörelse hos materialets atomer och molekyler. Alla material är lite termoelektriska, men för att bli användbara måste de uppfylla tre kriterier: Vara tillräckligt effektiva i att omvandla värme till el, vara bra elektriska ledare, och vara dåliga värmeledare. Det här är en utmaning, för ofta är samma material bra på att leda både värme och el. Om forskarna förstärker någon av de tre egenskaperna, brukar de andra förändras samtidigt.

– Vi måste alltså frikoppla mekanismerna för värmeledning och elledning och kunna optimera dem oberoende av varandra. Det gör vi genom att jobba med olika längdskalor. Arbetar man med tillräckligt små strukturer kan man störa värmeledningen men inte påverka den elektriska ledningsförmågan, eller i bästa fall till och med förbättra den, säger Per Eklund.

 

Material byggs ett atomlager i taget

De nya materialen tillverkas med nanoteknik. Forskarna bombarderar ett utgångsmaterial så kraftigt med joner så att det förångas. I vakuum låter man de lösgjorda partiklarna fastna på en yta, där de själva bygger upp en struktur. Forskarna kallar det för att materialet ”växer”.

På det här viset går det att bygga atomlager för atomlager, och växla mellan olika atomslag som kan ge rätt egenskaper. För att ta reda på vilka ämnen som är lämpliga att experimentera med, och vilka egenskaper slutprodukten kan få, gör Per Eklund och hans kollegor först beräkningar och simuleringar.

– Men man vet inte vad som är hönan och vad som är ägget. Vi kan lika gärna stöta på något intressant i labbet som vi sedan behöver göra beräkningar för att förstå. Arbetet går hela tiden åt båda hållen, säger Per Eklund.

Han och hans forskargrupp samarbetar en del med privata företag som tillverkar termoelektriska komponenter. Men den största delen av deras arbete är fortfarande grundforskning. Som Wallenberg Academy Fellow ska Per Eklund arbeta vidare på att skapa effektivare material och förstå deras strukturer i grunden. Det gör han både själv och som handledare för andra forskare.

– Det roligaste av allt är när man får se en riktigt duktig doktorand disputera. Då får man verkligen lön för mödan. Det här jobbet handlar om så mycket annat än själva forskningen. Om att leda människor, hantera gruppdynamik, och en massa annat som man också måste kunna.

”Pengar är ett medel, det är inte mål i sig. Men det är en viktig sak med att bli utsedd till Wallenberg Academy Fellow; att jag har verksamheten säkrad på hyfsat lång sikt. Då kan jag försöka göra saker som är svåra, och som tar mer tid.”

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström