Υλικά για τη μετατροπή της απορριπτόμενης θερμότητας σε ενέργεια περνούν κρίσιμο ορόσημο
Περίπου τα δύο τρίτα των χρημάτων που δαπανώνται για ρεύμα μπορεί επίσης να καούν, καθώς περίπου τα δύο τρίτα της ενέργειας που χρησιμοποιείται από συσκευές όπως τα φώτα και οι υπολογιστές χάνονται ως θερμότητα. Αλλά οι προοπτικές για την ανάκτηση μέρους αυτής της σπατάλης ενέργειας έχουν βελτιωθεί, τώρα που οι επιστήμονες έχουν επινοήσει ένα λεγόμενο θερμοηλεκτρικό υλικό που ξεπερνά ένα βασικό πρακτικό όριο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από θερμότητα.
Όπως οι φωτοβολταϊκές ενώσεις στα ηλιακά κύτταρα παράγουν ηλεκτρισμό από το φως, τα θερμοηλεκτρικά υλικά μετατρέπουν τη θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό αυξάνει τη δυνατότητα, ας πούμε, να χρησιμοποιήσετε μέρος της σπατάλης θερμότητας από τον βενζινοκινητήρα στο υβριδικό σας αυτοκίνητο για να φορτίσετε την μπαταρία του αυτοκινήτου. «Το όνειρο του αγρού είναι να συλλέγει τη σπατάλη θερμότητας από όσο το δυνατόν περισσότερες καταστάσεις—οχήματα, εργοστάσια, βυτιοφόρα», λέει ο Μερκούρη Κανατζίδης, ανόργανος χημικός στο Πανεπιστήμιο Northwestern στο Έβανστον του Ιλινόις. «Μετά θα έβαζες αυτήν την ενέργεια πίσω από το σημείο που την αντλούσες—για παράδειγμα, στην αύξηση των χιλιομέτρων στο όχημά σου». Υπάρχει, φυσικά, ένα όριο, καθώς ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής λέει ότι είναι αδύνατο για οποιαδήποτε συσκευή να λειτουργεί χωρίς να παράγει κάποια σπατάλη θερμότητας.
Μέσα σε ένα στερεό, η θερμότητα μπορεί να θεωρηθεί ως μικροσκοπικές κβαντομηχανικές δονήσεις ατόμων και μορίων, γνωστές ως «φωνόνια». Χάρη στη δομή ατομικής κλίμακας και τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες, τα θερμοηλεκτρικά υλικά μετατρέπουν αυτή τη δονητική ενέργεια σε ροή ηλεκτρονίων. Εάν το ένα άκρο ενός κομματιού θερμοηλεκτρικού υλικού είναι θερμότερο από το άλλο, θα προκύψει διαφορά τάσης μεταξύ των δύο άκρων, επιτρέποντας στο υλικό να παράγει ρεύμα, λίγο σαν μπαταρία.
Οι επιστήμονες αξιολογούν την απόδοση ενός θερμοηλεκτρικού υλικού με ένα μέτρο γνωστό ως ZT, το οποίο εξηγεί όχι μόνο την ικανότητα του υλικού να παράγει τάση, αλλά και την ικανότητά του να μεταφέρει ηλεκτρισμό (που θα πρέπει να είναι υψηλό) και την ικανότητά του να μεταφέρει θερμότητα (η οποία θα έπρεπε να είναι χαμηλός). Οι καλύτερες τιμές ZT που είχαν επιτύχει οι ερευνητές ήταν μεταξύ 1,6 και 1,8, αλλά οι ερευνητές ήλπιζαν να φτάσουν στην τιμή 2, οπότε οι εφαρμογές των θερμοηλεκτρικών θα γίνονταν πιο πρακτικές. "Ένα ZT στην περιοχή από 2 και πάνω αντιπροσωπεύει μια συνολική απόδοση μετατροπής θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια στο εύρος 12 έως 17%, παρόμοια με αυτό που θα βλέπατε με τα βιομηχανικά φωτοβολταϊκά", λέει ο Κανατζίδης. (Ένα ZT του 2 είναι σχεδόν δύο φορές πιο αποτελεσματικό από ένα ZT του 1.)
Το νέο θερμοηλεκτρικό υλικό αποτελείται κυρίως από μόλυβδο και τελλούριο. Προηγούμενες μελέτες διαπίστωσαν ότι το τελλουρίδιο του μολύβδου ήταν το καλύτερο θερμοηλεκτρικό σύστημα στο είδος των υψηλών θερμοκρασιών που μπορεί κανείς να βρει σε κινητήρες και άλλα καυτά σημεία. Οι ερευνητές υιοθέτησαν τρεις διαφορετικές τεχνικές για την απορρόφηση ενέργειας από φωνόνια. Μέσα στο υλικό, κόκκοι ημιαγώγιμου τελλουρίου μολύβδου που έχουν πλάτος εκατοντάδες έως χιλιάδες νανόμετρα απορροφούν φωνόνια μεγαλύτερου μήκους κύματος. Επίσης, τα ιζήματα τελλουριδίου του στροντίου πλάτους 2 έως 10 νανόμετρα στοχεύουν σε μικρότερα μήκη κύματος. Τέλος, ίχνη νατρίου που εγχέονται εντός της κρυσταλλικής δομής του υλικού πηγαίνουν μετά από τα μικρότερα μήκη κύματος. Ως αποτέλεσμα, το υλικό επιτυγχάνει παγκόσμιο ρεκόρ ZT 2,2. «Αυτό είναι συντηρητικά μεταξύ 15 και 30% πιο αποτελεσματικό από τον προηγούμενο κάτοχο του ρεκόρ», λέει ο Κανατζίδης. Οι επιστήμονες παρουσίασαν λεπτομερώς τα ευρήματά τους στο διαδίκτυο σήμερα στο Nature .
«Η δημιουργία νέων υλικών με βελτιωμένες θερμοηλεκτρικές ιδιότητες είναι πάντα μια πρόκληση, καθώς απαιτεί ιδιότητες που η φύση δεν θέλει πάντα να σας δώσει σε ένα μόνο υλικό—για παράδειγμα υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και χαμηλή θερμική αγωγιμότητα», δήλωσε ο Donald Morelli, φυσικός στο Το Michigan State University in East Lansing που δεν συμμετείχε σε αυτή τη μελέτη. "Η προσέγγιση που χρησιμοποιούν εδώ, βασισμένη στη μηχανική της δομής ενός υλικού σε πολλαπλές κλίμακες μήκους, είναι μια προσέγγιση που μπορεί να γενικευτεί - δεν υπάρχει λόγος να μην την εφαρμόσετε σε οποιοδήποτε υλικό ημιαγωγών" - το είδος των πραγμάτων που χρησιμοποιούνται στα μικροτσίπ.
Ο Κανατζίδης και οι συνεργάτες του θέλουν τώρα να σχεδιάσουν υλικά με ακόμη υψηλότερες τιμές ZT, όπως 2,5 ή 3. (Ένα ZT του 3 είναι περίπου 2,4 φορές πιο αποτελεσματικό από ένα ZT του 1.) Θέλουν επίσης να αναπτύξουν θερμοηλεκτρικά υλικά που δεν απαιτούν τελλούριο, το οποίο είναι περίπου τόσο σπάνιο όσο η πλατίνα. Οι φθηνότεροι υποψήφιοι περιλαμβάνουν σεληνιούχο μόλυβδο και θειούχο μόλυβδο.
