Saksa teadlased valmistasid väikese metallstruktuuri integreeritava termoelektrilise generaatori

Saksa teadlased integreerisid esmakordselt sulametalli termoelektrilise generaatori. Seadmeid on võimalik paigaldada näiteks suurte koormustega töötavatesse komponentidesse, muuhulgas hammasratastesse ning kuullaagritesse, aga ka tuumareoaktori seintesse jälgimaks võimalikke radioaktiivseid lekkeid. Lisaks oleks võimalik tuvastada pingeid teraskonstruktsioonides, näiteks sildades. Varjupoolena võib sensor põhjustada metalli struktuuris nõrkusi.

Seadme leiutasid Saksamaa Bremeni Ülikooli ning Fraunhoferi Instituudi teadlased. Nende valmistatud termoelektrilised generaatorid suudavad üle elada alumiiniumi, magneesiumi, pronksi- ja messingvalu.

Meetodi arendamisel pidid teadlased ületama kaks põhilist raskust. Esiteks põhjustavad tavaliselt sulametallidega kaasnevad kõrged temperatuurid generaatori komponentide läbipõlemise. Teiseks tekivad metalli ja räni soojuspaisumistegurite erinevuste tõttu materjalide liitekohas deformeerivad jõud.

Hiljutised kastsed teiste teadlasgruppide poolt on näidanud, et raadiotuvastuskiipe (RFID, radio-frequency identification) on võimalik metallidesse integreerida kattes sensori eelnevalt polümeerse kihiga. „Nimetatud lahendus välistab aga sensori ning keskkonna vahelise otsekontakti, mis tähendab soojuse elektriks muundamise protsessis kadusid. Polümeerne kapsel peab võrreldes seadme läbimõõduga olema suhteliselt paks, mis aga põhjustab metallstruktuuris nõrkusi,“ kirjeldab Azat Ibragimov, Bremeni Ülikooli doktorant.

Bremeni Ülikoolis arendatud alternatiivse meetodi selgrooks on amorfne boorsilikaatklaas ehk BSG (borosilicate glass). „BSG summutab jahtumisel tekkivad termomehaanilised pinged, mis kaitseb generaatori tööks olulisi räniosiseid,“ sõnab Ibragimov.

Termoelektriline generaator on seade, mis koosneb termopaaride reast. Termopaar on kahe eri metalli, antud katses plaatina ning räni, laminaatstruktuur. Laminaadi poolte vahel tekib metallide temperatuuride erinevusega proportsionaalse pinge, mis on genereeriva funktsiooni aluseks. Vältimaks termopaaride pragunemist termomehaanilise pinge tõttu ehitati need esmalt kristallstruktuuriga räniplaadile. Seejärel kanti toorik amorfsele boorsilikaatklaasi substraadile. Räniplaadi tagumine pinna laussöövitusel jäi klaasi pinnale alles vaid termopaar.

Termoelektrililine generaator on protsessis kaitstud, sest amorfsetel materjalidel puuduvad kristallilised tasandid, mis võiksid mõranemist põhjustada. Ühtlasi on boorsilikaatklaas piisavalt kuumuskindel.  Alumiiniumi sulatamiseks vajalikul ligikaudu 700 ºC temperatuuril  muutub klaas pehmeks ning katab võimalikud tekkinud praod. Lisaks on boorsilikaatklaasil sama soojuspaisumistegur, mis kristalsel ränilgi. Kuumutamisel paisuvad materjalid võrdselt, mis väldib liiteliste pingete tekkimist.

Teadlased pidid lisaks eelmainitud lahendustele tegelema ka difusioonibarjääri ning isoleeriva kile valmistamisega, mis lubaks sensoril sulametall-keskkonnas töötada. Difusioonibarjääri moodustab wolfram-titaani (tungsten titanium) kiht termopaari komponentide plaatina ning räni vahel. Barjäär takistab materjalidevahelist difusiooni, mis tähendaks seadme efektiivsuse kiiret langust. Isoleeriv kile katab kogu kiibi pinda. Kile moodustab 60 nanomeetri paksune alumiiniumoksiidi kiht, mida katab omakorda 40 mikromeetri paksune vedelklaasi (fluid glass) pasta, mis on mikroskoopiliste klaasiterakeste ning orgaanilise materjali kolloid. Kõrgetel temperatuuridel orgaaniline materjal aurustub. Alles jäänud klaas sulab, moodustades seadme pinnale ühtlase dielektriku kihi. Tekkinud kiht on nii õhuke, et soojusvahetust oluliselt ei sega.

Walter Lang, üks projekti algatajatest, tunnistab, et sensori implementeerimine metallkonstruktsioonidesse võib põhjustada nende struktuuris nõrkusi. Lisaks on probleemne sensorite ning andmevahetuslülituste ühendamine. „Inimkäe tunnetusrakud on 40 mikroni suurused. Kui suudame valmistada sama väikseid sensoreid, ei ole metallkonstruktsioonide stabiilsus enam probleem. Selleks kulub aga mitu aastat uurimustööd,“ kirjeldab Lang.

Allikas: IEEE