Minuscule slimme sensoren, die draadloos meetwaarden doorgeven via het internet, worden al gebruikt om industriële en logistieke processen in de gaten te houden, en zullen naar verwachting ook in thuissituaties en de openbare ruimte steeds meer terug te vinden zijn. Omdat het ondoenlijk wordt om telkens de batterijen van deze talloze sensoren te vervangen, wordt echter naarstig gezocht naar slimmere manieren om dergelijke sensoren van energie te voorzien. Het zogeheten thermo-elektrische effect, waarbij warmte-energie uit de omgeving wordt omgezet in elektriciteit, is daarvoor een voor de hand liggende kandidaat.

Simpel gesteld kun je elektriciteit opwekken door warmte-energie toe te voegen aan een materiaal dat zijn energie niet kwijt kan in de vorm van warmte, maar wel in de vorm van een elektrische stroom. Promovendus Daniel Vakulov deed in de groep Advanced Nanomaterials & Devices (faculteit Technische Natuurkunde) daarom onderzoek naar de thermo-elektrische eigenschappen van nanodraden, vanuit de gedachte dat deze draadjes te dun zijn om via trillingen effectief warmte te transporteren, maar dik genoeg om elektriciteit te geleiden.

Plakband

Het materiaal indiumantimonide (InSb), waarvan in de cleanroom van de TU/e hoogwaardige nanodraden (met een diameter van 0,1 micrometer) kunnen worden gemaakt, bezit gunstige eigenschappen voor deze toepassing, vertelt Vakulov. “Dat heeft te maken met de zware atomen waaruit het materiaal is opgebouwd.” Als sluitstuk van zijn promotie maakte de Rus een ontwerp voor een micro-energiebron gemaakt van deze nanodraden. Hij pakt het nieuwste prototype erbij: het ziet eruit als een stukje doorzichtig plakband, met een patroon van donkere vierkantjes erop. “Elk van deze vlakjes is een thermo-elektrische generator”, legt hij uit. “Het plastic is nodig voor de stevigheid, en voor de thermische en elektrische isolatie.”

Elke generator bestaat uit een soort perceel van een halve millimeter waarin grofweg een miljoen nanodraden uit het oppervlak steken als een soort rietstengels, maar dan stengels van vier micrometer lang, volledig ingebed in transparant plastic. De promovendus toonde aan dat elk van de microgeneratoren een elektrisch vermogen opwekt van veertig microwatt bij een temperatuurverschil van drie graden Celsius. Dat is niet veel, maar er passen dan ook honderden van deze thermo-elektrische microgeneratoren op een vingernagel. Aan elkaar gekoppeld zouden die volgens Vakulov genoeg vermogen leveren voor een sensor die je bijvoorbeeld tegen een wand of plafond kunt plakken. “Het verschil in temperatuur tussen zo’n oppervlak en de omgeving is eigenlijk altijd voldoende groot om een sensor van stroom te voorzien.” Reden genoeg om patent aan te vragen op het ontwerp.

Zonnecellen

Concrete plannen om zijn microgenerator op de markt te brengen, zijn er echter nog niet, zegt Vakulov. “Binnen de groep is wel net een nieuw project rond nieuwe materialen gestart; wellicht werken die materialen nog beter. Ook ligt het voor de hand om dit soort thermo-elektrische generatoren te combineren met zonnecellen, waarbij de overtollige warmte van de panelen wordt benut door de generator.” Zelf blijft de Rus nog tot de zomer als postdoc bij Advanced Nanomaterials & Devices en daarna wil hij onderzoek blijven doen aan duurzame energie, liefst in Nederland. “Ik voel me hier prettig. De directe manier van communiceren past wel bij me.”