Ένας υπερτροφοδοτούμενος ατομικός κινητήρας

Η μετατροπή ενέργειας συμβαίνει παντού. Οι ηλιακοί συλλέκτες μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια, οι κινητήρες αυτοκινήτων μετατρέπουν τη χημική ενέργεια της βενζίνης σε κινητική ενέργεια που επιταχύνει ένα όχημα και η υδρόλυση ATP μετατρέπει τη χημική ενέργεια στο ATP σε μηχανική ενέργεια που τροφοδοτεί τους μύες σας. Η θερμική ενέργεια, όπως τα καυσαέρια ενός αυτοκινήτου ή βιομηχανικών διεργασιών, μπορεί να μετατραπεί σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας ειδικά υλικά, όπως θερμοηλεκτρικά, θερμιονικά και πυροηλεκτρικά.

Πυροηλεκτρισμός

Ορισμένα υλικά έχουν ένα ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο, που ονομάζεται πόλωση, λόγω της κρυσταλλικής τους δομής. Η πόλωση θα ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία που οδηγεί σε πυροηλεκτρισμό όπου η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από τη θέρμανση ή την ψύξη των πολικών κρυστάλλων. Γενικά, η πόλωση μειώνεται ως απόκριση στην αύξηση της θερμοκρασίας. Τα κεραμικά, τα πολυμερή, ακόμη και τα βιολογικά υλικά μπορούν να εμφανίσουν πυροηλεκτρισμό. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται συνήθως σε ανιχνευτές κίνησης όπου η θερμότητα που εκπέμπεται από ανθρώπους πυροδοτεί την ηλεκτρική απόκριση στον πυροηλεκτρικό. Ένα σύστημα εξωτικών υλικών που παρουσιάζει αυτά τα φαινόμενα είναι τα αντισιδηροηλεκτρικά όπου η πόλωση μπορεί να αυξηθεί σε αντίθεση με τη μείωση με θέρμανση. Τα αντισιδηροηλεκτρικά κεραμικά υλικά χρησιμοποιούνται συνήθως για εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας.

Σε αυτή την εργασία, μετρώνται οι πυροηλεκτρικοί συντελεστές μιας λεπτής μεμβράνης τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου με αντισιδηροηλεκτρική πρόσμειξη με λανθάνιο και καθορίζονται οι περιοχές όπου ο πυροηλεκτρικός συντελεστής είναι θετικός και αρνητικός. Η μοντελοποίηση και τα βοηθητικά πειράματα δείχνουν τη φυσική προέλευση της αμφίδρομης απόκρισης. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η θετική πυροηλεκτρική απόκριση στα αντισιδηροηλεκτρικά προέρχεται από την εξάρτηση από τη θερμοκρασία των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του υλικού και όχι από μια αλλαγή πόλωσης με τη θερμοκρασία που συνήθως σχετίζεται με τον πυροηλεκτρισμό.

Μετατροπή ενέργειας 

Η μετατροπή ενέργειας επιτυγχάνεται όταν τα εναλλασσόμενα προφίλ θερμοκρασίας και τάσης ενεργούν σε έναν πυροηλεκτρικό πυκνωτή, που μοιάζει πολύ με τη θερμοδυναμική ενός κινητήρα (εικόνα 1). Συνεχίζοντας την αναλογία του κινητήρα, η τάση στο φιλμ είναι ισοδύναμη με την πίεση του αερίου μέσα στον κινητήρα. Από τη δεκαετία του 1980, η νοοτροπία «πυροηλεκτρικός ως κινητήρας» έχει οδηγήσει στην καινοτομία σε αυτόν τον τομέα. Η απόδοση αυτής της διαδικασίας μπορεί να αυξηθεί αυξάνοντας τη θερμοκρασία, την πυροηλεκτρική ιδιότητα ή την εφαρμοζόμενη τάση.

Τα αντισιδηροηλεκτρικά, με τον αμφίδρομο πυροηλεκτρικό συντελεστή τους, παρέχουν στη συνέχεια έναν ενδιαφέροντα τρόπο λειτουργίας του πυροηλεκτρικού «κινητήρα». Συνδυάζοντας ένα αντισιδηροηλεκτρικό με ένα κανονικό πυροηλεκτρικό, θα μπορούσαν να περάσουν τη φόρτιση μπρος-πίσω ενώ τρέχουν κύκλους (εικόνα 2). Δεδομένου ότι το ηλεκτρικό πεδίο είναι ισοδύναμο με πίεση, αυτό είναι ανάλογο με έναν κινητήρα V-8 με αντίθετα έμβολα που βοηθούν το ένα στην κίνηση του άλλου. Δεδομένου ότι αυτές οι συσκευές είναι πυκνωτές, θα αυτοσυντονίζονται όταν συνδέονται με επαγωγέα.

Ο αμφίδρομος πυροηλεκτρικός συντελεστής επιτρέπει τη σχεδίαση μετατροπέων ενέργειας που δεν είναι δυνατή μόνο με κανονικά πυροηλεκτρικά. Εάν τόσο το συμβατικό όσο και το αντισιδηροηλεκτρικό καθεστώς υλοποιούνται σε μία μόνο συσκευή, τότε οι δύο κύκλοι που λειτουργούν μαζί επιτρέπουν αυξημένη ισχύ και απόδοση. Σε αυτή την έρευνα, η προσθήκη ενός αντισιδηροηλεκτρικού αυξάνει την ισχύ κατά 30% σε συνδυασμένη πυκνότητα ~ 3 W/cm. Απαιτείται περαιτέρω εργασία για την πραγματοποίηση πρακτικής μετατροπής πυροηλεκτρικής ενέργειας.

Μελλοντική Έρευνα

Η μετατροπή πυροηλεκτρικής ενέργειας είναι μια πολύ ελκυστική προσέγγιση για τη μετατροπή της θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας (<200 °C) που εξαντλείται από βιομηχανικές διεργασίες, παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και άλλες πηγές που διαφορετικά θα σπαταλούνταν. Διερευνάται επίσης από τον στρατό των ΗΠΑ ως τεχνολογία για ασύρματη μεταφορά ενέργειας όπου η πηγή θερμότητας είναι ένα λέιζερ που εκπέμπεται από χιλιόμετρα μακριά. Η πρόοδος στα πυροηλεκτρικά υλικά και συσκευές θα μπορούσε να κάνει αυτές τις τεχνολογίες εξοικονόμησης ενέργειας και κοινής χρήσης ενέργειας πραγματικότητα.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Combining inverse and conventional pyroelectricity in antiferroelectric thin films for Energy conversion, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Materials Chemistry C. Αυτή η εργασία διεξήχθη από μια ομάδα με επικεφαλής το Ερευνητικό Εργαστήριο Στρατού των ΗΠΑ, συμπεριλαμβανομένων του Πανεπιστημίου του Κονέκτικατ, του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ και της Ναυτικής Ακαδημίας των ΗΠΑ.