Πρόληψη της θερμότητας από τη σπατάλη
Τα ορυκτά καύσιμα τροφοδοτούν τη σύγχρονη κοινωνία δημιουργώντας θερμότητα, αλλά μεγάλο μέρος αυτής της θερμότητας σπαταλάται. Οι ερευνητές προσπάθησαν να ανακτήσουν μερικά από αυτά με συσκευές ημιαγωγών που ονομάζονται θερμοηλεκτρικά, που μετατρέπουν τη θερμότητα σε ισχύ. Ωστόσο, παραμένουν πολύ αναποτελεσματικά και ακριβά για να είναι χρήσιμα πέρα από μια χούφτα εξειδικευμένες εφαρμογές.
Τώρα, επιστήμονες στο Ιλινόις αναφέρουν ότι χρησιμοποίησαν ένα φτηνό, γνωστό υλικό για να δημιουργήσουν το πιο θερμοηλεκτρικό μέχρι στιγμής. Κατά τη διαδικασία, λένε οι ερευνητές, πήραν πολύτιμα μαθήματα που θα μπορούσαν να ωθήσουν τα υλικά στην αποτελεσματικότητα που απαιτείται για ευρείες εφαρμογές. Εάν συμβεί αυτό, τα θερμοηλεκτρικά θα μπορούσαν μια μέρα να τροφοδοτήσουν αυτοκίνητα και να συλλέξουν ενέργεια από μυριάδες κινητήρες, λέβητες και ηλεκτρικές εγκαταστάσεις.
Τα θερμοηλεκτρικά είναι πλάκες ημιαγωγών με μια περίεργη και χρήσιμη ιδιότητα:η θέρμανση τους στη μία πλευρά παράγει μια ηλεκτρική τάση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση ρεύματος και τροφοδοσίας συσκευών. Για να επιτευχθεί αυτή η τάση, τα θερμοηλεκτρικά πρέπει να είναι καλοί ηλεκτρικοί αγωγοί αλλά φτωχοί αγωγοί της θερμότητας, γεγονός που μειώνει το αποτέλεσμα. Δυστυχώς, επειδή η ηλεκτρική και η θερμική αγωγιμότητα ενός υλικού τείνουν να συμβαδίζουν, έχει αποδειχθεί δύσκολο να δημιουργηθούν υλικά που έχουν υψηλή θερμοηλεκτρική απόδοση—μια ιδιότητα που οι επιστήμονες αντιπροσωπεύουν με το σύμβολο ZT.
Πριν από αρκετά χρόνια, ερευνητές με επικεφαλής τον Μερκούρη Κανατζίδη, χημικό στο Πανεπιστήμιο Northwestern στο Έβανστον του Ιλινόις, ανακάλυψαν ένα εντυπωσιακό νέο θερμοηλεκτρικό υλικό που ονομάζεται τελλουρίδιο του μολύβδου (PbTe), το οποίο είχε τιμή ZT 2,2. Αυτό ήταν αρκετά κοντά στο ZT των 3 που οι περισσότεροι ερευνητές θεωρούν το ελάχιστο για ευρέως διαδεδομένες εφαρμογές.
Ενδιαφερόμενος, ο Κανατζίδης και οι συνεργάτες του άρχισαν να δοκιμάζουν τα χημικά ξαδέρφια του PbTe. Το ένα ήταν ένα γυαλιστερό ασημένιο υλικό που ονομαζόταν σεληνίδιο του κασσιτέρου (SnSe). Δεκαετίες νωρίτερα, οι ερευνητές είχαν διαπιστώσει ότι ήταν πολύ φτωχός ηλεκτρικός αγωγός για να αξίζει να τον δοκιμάσουμε ως θερμοηλεκτρικό. Αλλά ο κασσίτερος και ο μόλυβδος ανήκουν στην ίδια ομάδα στον περιοδικό πίνακα, και το τελλούριο και το σελήνιο είναι και τα δύο μέλη μιας άλλης ομάδας. «Ήταν μια περιέργεια που θέλαμε να εξερευνήσουμε», λέει ο Κανατζίδης.
Έτσι, ο Κανατζίδης και οι συνεργάτες του στο Northwestern και στο Πανεπιστήμιο του Michigan, Ann Arbor, αποφάσισαν να ρίξουν άλλη μια ματιά στον σεληνίτη κασσίτερου. Οι ερευνητές συνέθεσαν ένα δείγμα SnSe μεγέθους σφαίρας και χώρισαν κομμάτια του κατά μήκος τριών διαφορετικών προσανατολισμών των ατομικών επιπέδων του κρυστάλλου, γνωστοί ως άξονες a-, b- και c - μια τυπική τεχνική για την ανάλυση των ιδιοτήτων των υλικών. Στη συνέχεια χαρτογράφησαν τη θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα κάθε δείγματος σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Το δείγμα του άξονα β αποδείχθηκε ότι είχε καλύτερη από την αναμενόμενη ηλεκτρική αγωγιμότητα και πολύ χαμηλή θερμική αγωγιμότητα κατά την εκκίνηση. Αυτές οι ιδιότητες έδωσαν στο υλικό ZT 2,6, την καλύτερη τιμή που έχει μετρηθεί ποτέ. Το κλειδί για την εξαιρετικά χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, λέει ο Κανατζίδης, φαίνεται να είναι η πτυχωτή διάταξη ατόμων κασσίτερου και σεληνίου στο υλικό, που μοιάζει με ακορντεόν. Το σχέδιο φαίνεται να βοηθά τα άτομα να λυγίζουν όταν χτυπηθούν από δονήσεις που μεταδίδουν θερμότητα που ονομάζονται φωνόνια, μειώνοντας έτσι την ικανότητα του SbSe να μεταφέρει τη θερμότητα. Οι ερευνητές αναφέρουν τα αποτελέσματα σήμερα στο Nature .
«Είμαι έκπληκτος», λέει ο Joseph Heremans, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο, Columbus, ο οποίος δεν ήταν συνδεδεμένος με την έρευνα. «Αυτό είναι ένα φανταστικό αποτέλεσμα για το γήπεδο». Εκτός από το ότι σηματοδοτεί ένα μεγάλο βήμα προς τα θερμοηλεκτρικά με ένα ZT 3, λέει ο Heremans, το νέο υλικό προσφέρει μαθήματα για το πώς να φτάσετε εκεί. Πιθανότατα, λέει, οι ερευνητές θα προσπαθήσουν να ενισχύσουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα του ημιαγωγού προσθέτοντάς τον με ίχνη «απορροφητικών» ατόμων, διατηρώντας παράλληλα τη βασική ατομική διάταξη που μοιάζει με ακορντεόν. Εάν κάποιος καταφέρει να παράγει ένα υλικό υψηλής ZT, λέει ο Heremans, θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέους, φθηνότερους υβριδικούς κινητήρες αυτοκινήτων στους οποίους ο κινητήρας εσωτερικής καύσης δεν τροφοδοτεί το αυτοκίνητο, αλλά παράγει θερμότητα που οι θερμοηλεκτρικές συσκευές μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια για να τροφοδοτήσουν ηλεκτρικός κινητήρας. Προς το παρόν, αυτό εξακολουθεί να είναι ένα όραμα για το μέλλον. Αλλά είναι κάτι που τώρα εμφανίζεται πιο κοντά από ποτέ.
