Zespół badawczy NIST kierowany przez Krisa Bertnessa bada nową metodę konwersji ciepła na elektryczność i opracował urządzenie do tego celu. Po udoskonaleniu tej technologii będzie ona przekształcać ciepło na elektryczność, która w przeciwnym razie zostałaby zmarnowana. Badania opierają się na odkryciu niemieckiego fizyka Thomasa Seebecka. Zespół ten włączył również odkrycie dokonane przez Mahmouda Husseina do jego badania konwersji termoelektrycznej.
Naukowcy z Narodowego Instytutu Norm i Technologii (NIST) zaprojektowali nowatorskie urządzenie, które, jeśli będzie udoskonalone, będzie mogło z powodzeniem przetwarzać ciepło w energię elektryczną. Technologia ta ma potencjał odzyskiwania marnowanej energii cieplnej w Stanach Zjednoczonych, której marnotrawstwo szacuje się na zawrotne tempo około 100 miliardów dolarów rocznie.
Kris Bertness , badaczka z NIST, wraz ze swoim zespołem opracowała tę technikę. Polega ona na osadzaniu tysięcy mikroskopijnych kolumn azotku galu na wierzchu płytki krzemowej. Krzem jest następnie odrywany od spodniej strony płytki warstwa po warstwie, aż pozostanie tylko cienka warstwa. Więcej ciepła może zostać przekształcone w prąd elektryczny ze względu na interakcję między filarami a warstwą krzemową, która spowalnia wymianę ciepła w materiale.
Arkusze krzemu mogą być owinięte wokół rur parowych lub wydechowych, gdy proces produkcji zostanie opracowany w celu konwersji emisji ciepła na energię elektryczną, która mogłaby być wykorzystana do zasilania pobliskich urządzeń lub przesłana do sieci energetycznej. Chłodzenie chipów komputerowych byłoby innym możliwym potencjalnym zastosowaniem.
Niemiecki fizyk Thomas Seebeck jako pierwszy zauważył osobliwe zachowanie, które stało się podstawą badań NIST i Uniwersytetu Kolorado. Na początku lat dwudziestych XIX wieku Seebeck rozpoczął badania pętli utworzonej z dwóch metalowych drutów o różnym składzie, połączonych na obu końcach. Zauważył, że wraz ze zmianą temperatury dwóch połączeń łączących druty, igła pobliskiego kompasu ulegała odchyleniu.
Inni badacze odkryli, że różnica temperatur między dwoma obszarami wytworzyła napięcie i doprowadziła do powstania prądu, który spowodował odchylenie. Pole magnetyczne wytwarzane przez prąd spowodowało zmianę kierunku igły kompasu.
Efekt Seebecka , teoretycznie polegający na przekształcaniu ciepła w energię elektryczną, może być najlepszą metodą ponownego wykorzystania energii cieplnej, która w przeciwnym razie zostałaby zmarnowana. Pojawiła się jednak poważna przeszkoda.
Aby utrzymać różnicę temperatur, materiał powinien mieć niską przewodność cieplną i wysoką przewodność elektryczną, aby generować znaczną ilość energii elektrycznej. Większość materiałów wykazuje jednak zarówno przewodność elektryczną, jak i cieplną; słaby przewodnik elektryczny wykazuje również słabą przewodność cieplną i odwrotnie.
Mahmoud Hussein z Uniwersytetu Kolorado, podczas badań nad fizyką konwersji termoelektrycznej, odkrył, że te właściwości można rozdzielić w cienkiej membranie pokrytej nanofilarami – stojącymi kolumnami materiału o długości nie większej niż kilka milionowych metra, czyli mniej więcej jedną dziesiątą grubości ludzkiego włosa. Jego odkrycie zainspirowało zespół i Bertnessa do pracy nad tą technologią.
Dzięki nanofilarom Bertness, Hussein i ich współpracownicy zdołali skutecznie oddzielić przewodnictwo cieplne warstwy krzemowej od jej przewodnictwa elektrycznego . To pierwsze tego typu osiągnięcie w przypadku jakiegokolwiek materiału i ważny krok w kierunku umożliwienia efektywnej konwersji ciepła na energię elektryczną.
Naukowcy zdołali zmniejszyć przewodność cieplną warstwy krzemowej o 21%, nie zmieniając jej przewodności elektrycznej ani efektu Seebecka.
Przeczytaj także: Czym jest półprzewodnik zewnętrzny?
Atomy są połączone ze sobą wiązaniami i nie mogą się swobodnie poruszać, aby przewodzić ciepło w krzemie i innych materiałach. W rezultacie ruch energii cieplnej objawia się jako ruchome fonony, które są zbiorczymi drganiami atomów. Zarówno warstwa krzemu, jak i nanosłupki azotku galu przenoszą fonony; jednak fonony wewnątrz nanosłupków są falami stojącymi, które są utrzymywane nieruchomo na obu końcach przez ścianki maleńkich kolumn.
Ta interakcja między fononami a wibracjami spowalnia przemieszczające się fonony, utrudniając przepływ ciepła przez materiał. W rezultacie przewodność cieplna ulega zmniejszeniu, a różnica temperatur między końcami wzrasta. Pomimo tego, przewodność elektryczna arkusza krzemowego pozostaje niezmienna.
Teraz zespół pracuje wyłącznie nad strukturami krzemowymi i podąża za lepszą geometrią dla termoelektrycznego odzyskiwania ciepła. Oczekują wykazania wysokiej szybkości konwersji ciepła na energię elektryczną. Szybkość konwersji zapewnia, że technika staje się ekonomicznie opłacalna dla przemysłu.
Źródło: Komunikat prasowy NIST
