Prelomový spôsob premeny tepla na elektrinu má potenciál znížiť straty tepelných elektrární
Autori novej štúdie sa inšpirovali pokusom z 19. storočia, ktorý ukázal ideálny spôsob recyklácie tepelnej energie.
Výskumníci z inštitútu NIST vytvorili zariadenie, ktoré by mohlo dramaticky podporiť konverziu tepla na elektrinu. Zatiaľ síce ide len o koncept, no ak by sa zdokonalil, potom by sme v budúcnosti mohli mať v rukách spôsob, ako sa vysporiadať so stratou ktorú vykazujú tepelné elektrárne po celom svete.
Nová metóda pozostáva z umiestnenia stoviek tisícov mikroskopických „stĺpčekov“ nitridu gália na silikónovú membránu. Následne vedci odoberajú vrstvy silikónu zo spodnej časti membrány, až kým neostane len tenký list materiálu. Interakcia stĺpčekov a silikónového listu spomalí transport tepla, čím možno viac tepla pretvoriť na elektrický prúd. Po zdokonalení tejto metódy by sa mohli silikónové listy obaliť okolo parných alebo výfukových rúr a tým pretvárať tepelné emisie na elektrinu. Materiál by však fungoval aj pri ochladzovaní počítačových čipov.
Autori výskumu brali inšpiráciu z pokusu, ktorý sa odohral ešte v 20. rokoch 19. storočia. Jeho autorom bol nemecký vedec Thomas Seebeck. Keď Seebeck skúmal dva kovové drôty, každý z iného materiálu. Tieto drôty boli spojené na oboch koncoch, aby vytvorili slučku. Seebeck si všimol, že keď oba spojené konce mali odlišnú teplotu, spôsobili pohyb strelky neďalekého kompasu. Vedci si čoskoro uvedomili, že teplotný rozdiel indukoval prúd medzi dvoma regiónmi, čiže prúdil z horúcejšieho regiónu do chladnejšieho. Elektrický prúd vytvoril magnetické pole, ktoré ovplyvnilo kompas.
Lepšia konverzia tepla na elektrinu
Vedci verili, že tento fenomén môže predstavovať ideálny spôsob ako recyklovať tepelnú energiu, ktorú by sme za iných okolností stratili. V tomto prípade musí materiál viesť teplo zle, aby si dokázal udržať teplotné rozdiely. Na druhú stranu ale musí viesť elektrinu veľmi dobre, aby mohol teplo pretvoriť na dostatočné množstvo elektrickej energie. Pre väčšinu materiálov ide elektrická a tepelná vodivosť ruku v ruke.
Autori novej štúdie si však všimli, že tieto vlastnosti možno rozdeliť ak máme tenkú membránu pokrytú nanostĺpčekmi. Za pomoci pilierov, nie hrubších ako desatina ľudského vlasu, sa vedcom podarilo oddeliť tepelnú vodivosť od tej elektrickej. Štúdia je prvou svojho druhu a významným míľnikom v oblasti efektívnej konverzie tepla na elektrinu. Počas práce sa vedcom podarilo znížiť tepelnú vodivosť silikónu o 21% bez zníženia jeho elektrickej vodivosti.
Neprehliadnite
V pevných látkach sú atómy uväznené vo väzbách, čiže sa nemôžu pohybovať voľne, čím by prenášali teplo. Dôsledkom toho prenos tepelnej energie funguje vo forme fonónov, kolektívnej vibrácii atómov. Stĺpčeky nitridu gália a silikónová vrstva prenášajú fonóny, no tie v stĺpčekoch sú držané stenami drobných stĺpcov.
Interakcia medzi nanostĺpcami a silikónovým listom spomalí cestujúce fonóny, čím sťaží prechod tepla cez materiál. Tým vedci znižujú tepelnú vodivosť. V ďalších krokoch vedci vytvoria štruktúry len zo silikónu a s lepšou geomeriou pre transformáciu tepelnej energie na elektrickú.
Komentáre