يستكشف فريق بحثي في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، بقيادة كريس بيرتنس، طريقةً جديدةً لتحويل الحرارة إلى كهرباء، وقد طوّر جهازًا لذلك. بمجرد إتقان هذه التقنية، ستُحوّل الحرارة إلى كهرباء، والتي لولا ذلك لكانت تُهدر. يستند البحث إلى اكتشاف الفيزيائي الألماني توماس سيبيك. كما أدرج هذا الفريق اكتشاف محمود حسين في دراسته للتحويل الكهروحراري.
باحثون في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا صمم المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) جهازًا جديدًا، إذا كان مثاليًا، يمكنه تحويل الحرارة إلى كهرباء بنجاح. تتميز هذه التقنية بـ القدرة على استعادة الطاقة الحرارية المهدرة وفي الولايات المتحدة، تشير التقديرات إلى أن معدل الهدر يبلغ نحو 100 مليار دولار سنويا.
كريس بيرتنسابتكرت باحثة في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) وفريقها هذه التقنية. تتضمن هذه التقنية ترسيب آلاف الأعمدة المجهرية من نيتريد الغاليوم فوق رقاقة سيليكون. يُنزع السيليكون بعد ذلك من أسفل الرقاقة طبقةً تلو الأخرى حتى يتبقى طبقة رقيقة فقط. يمكن تحويل المزيد من الحرارة إلى تيار كهربائي بفضل التفاعل بين الأعمدة وصفيحة السيليكون، مما يؤدي إلى... يبطئ الحرارة نقل في المواد.
يمكن لفّ صفائح السيليكون حول أنابيب البخار أو العادم بعد تطوير عملية التصنيع لتحويل انبعاثات الحرارة إلى كهرباء تُستخدم لتشغيل الأجهزة القريبة أو إرسالها إلى شبكة الكهرباء. كما يُمكن استخدام تبريد رقائق الحاسوب كاستخدام محتمل آخر.
الفيزيائي الألماني توماس سيبيك كان سيبيك أول من لاحظ سلوكًا غريبًا شكل أساسًا لدراسة المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا وجامعة كولورادو. في أوائل عشرينيات القرن التاسع عشر، بدأ سيبيك دراسة حلقة مكونة من سلكين معدنيين مختلفي التركيب متصلين من كلا الطرفين. لاحظ أنه مع تغير درجات حرارة الوصلتين اللتين تربطان السلكين معًا، تنحرف إبرة البوصلة القريبة.
ووجد باحثون آخرون أنأدى اختلاف درجة الحرارة بين المنطقتين إلى ظهور جهد كهربائي وأدى إلى تيار كهربائي تسبب في الانحراف. تسبب المجال المغناطيسي الناتج عن التيار الكهربائي في إعادة توجيه إبرة البوصلة.
استخدم تأثير سيبيكنظريًا، قد تكون عملية تحويل الحرارة إلى كهرباء هي الطريقة الأمثل لإعادة استخدام الطاقة الحرارية التي قد تُهدر لولا ذلك. لكن واجهت هذه العملية عقبة كبيرة.
للحفاظ على فرق درجة الحرارة، يجب أن تتمتع المادة بموصلية حرارية منخفضة وموصلية كهربائية عالية لتوليد كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية. مع ذلك، تتميز معظم المواد بموصلية كهربائية وحرارية في آنٍ واحد؛ فالموصل الكهربائي الضعيف يُظهر أيضًا موصلية حرارية ضعيفة، والعكس صحيح.
محمود حسين اكتشف باحثٌ من جامعة كولورادو، خلال بحثه في فيزياء التحويل الكهروحراري، إمكانية فصل هذه الخصائص في غشاء رقيق مُغطى بأعمدة نانوية، وهي أعمدة قائمة من مادة لا يتجاوز طولها بضعة أجزاء من المليون من المتر، أي ما يُقارب عُشر سُمك شعرة الإنسان. ألهم اكتشافه الفريق وبيرتنس للعمل على هذه التقنية.
وبمساعدة الأعمدة النانوية، تمكن بيرتنس وحسين وزملاؤهما من القيام بذلك بنجاح فصل التوصيل الحراري للصفائح السيليكونية عن التوصيل الكهربائيإنها المرة الأولى التي يتم فيها استخدام أي مادة، وهي خطوة مهمة نحو جعل تحويل الحرارة إلى كهرباء ممكناً بكفاءة.
وتمكن الباحثون من خفض التوصيل الحراري للصفائح السيليكونية بنسبة 21%، دون التأثير على موصليتها الكهربائية أو تغيير تأثير سيبيك.
اقرأ أيضا: ما هو أشباه الموصلات الخارجية؟
ترتبط الذرات ببعضها بروابط، ولا تستطيع الحركة بحرية لتوصيل الحرارة في السيليكون والمواد الأخرى. ونتيجةً لذلك، تتجلى حركة الطاقة الحرارية على شكل فونونات متحركة، وهي اهتزازات الذرات الجماعية. يحمل كلٌّ من صفيحة السيليكون وأعمدة نيتريد الغاليوم النانوية الفونونات؛ إلا أن الفونونات داخل الأعمدة النانوية هي موجات ثابتة تُثبّت عند طرفيها بواسطة جدران الأعمدة الصغيرة.
هذا التفاعل بين الفونونات تُبطئ الاهتزازات والفونونات المنتقلة، مما يُصعّب مرور الحرارة عبر المادة. ونتيجةً لذلك، تنخفض الموصلية الحرارية ويزداد فرق درجة الحرارة بين طرفي المادة. وخلال كل هذا، لا يطرأ أي تغيير على الموصلية الكهربائية لصفائح السيليكون.
يعمل الفريق حاليًا على هياكل سيليكونية حصرية، ويتبع هندسةً أفضل لاستعادة الحرارة الكهروحرارية. ويتوقع الفريق تحقيق معدل تحويل مرتفع للحرارة إلى كهرباء. ويضمن هذا المعدل جدوى هذه التقنية اقتصاديًا للصناعة.
