Atliekos šilumos pavertimas galia

Silicis, fotovoltinių elementų pavidalu, gerai gamina elektros energiją iš saulės spindulių. Nauji tyrimai rodo, kad tai taip pat gali būti gera termoelektrinė medžiaga: medžiaga, kuri šilumą paverčia elektra ir atvirkščiai. Kadangi silicio yra daugiau nei pirmaujančių termoelektrinių medžiagų, o už jo yra didžiulė gamybos infrastruktūra, ilgainiui jis gali pagaminti pigius įrenginius, gaminančius energiją iš variklių šilumos arba saulės šilumos.

Šaunus klientas: Šiame vaizde, padarytame skenuojančiu elektroniniu mikroskopu, pavaizduotas šiurkštus silicio nanolaidas, jungiantis du šildymo pagalvėles – vieną tarnauja kaip šilumos šaltinis, o kitą – kaip jutiklis. Tyrėjai išsiaiškino, kad 50 nanometrų pločio silicio nanolaidai turi drastiškai mažesnį šilumos laidumą nei masinis silicis, tačiau išlaiko savo elektrinį laidumą. Taigi nanolaidai rodo potencialą kaip termoelektrinės medžiagos – tokios, kurios šilumą paverčia elektra ir atvirkščiai.

Šios savaitės Gamta , Kalifornijos universitetas, Berklis, chemijos profesorius Peidong Yang ir jo kolegos praneša, kad pagamino silicio nanolaidus, kurie generuoja elektrą, kai jiems taikomas temperatūros skirtumas. Iki šiol silicis buvo laikomas bloga termoelektrine medžiaga. Tačiau, anot Yang, nanolaidų veikimas jau yra panašus į geriausią esamą termoelektrinę medžiagą.

Termoelektriniai prietaisai buvo naudojami nuo septintojo dešimtmečio pradžios, paprastai gaminami iš bismuto telūrido arba švino telurido. Jie daugiausia naudojami aušinimui: kai termoelektrinė medžiaga veikia įtampa, ji iš vienos pusės įkaista, o iš kitos – vėsesnė. Termoelektriniai aušintuvai plačiai naudojami nešiojamuose iškylų ​​​​aušintuvuose ir vėsinančiose automobilių sėdynėse.

Tačiau įdomesni pritaikymai yra energijos vartojimo efektyvumas ir energijos gamyba. Termoelektrikai galėtų būti naudojami automobilių variklių generuojamą šilumą paversti elektros energija. Dar patrauklesnė yra idėja, kad termoelektrikai panaudotų saulės šilumą elektros energijai gaminti. Tačiau bismuto teluridas ir švino teluridas nėra pakankamai veiksmingi, todėl iš jų pagaminti prietaisai yra brangūs ir nepatogūs, nes jiems reikia daugiau medžiagų.

Termoelektrika turėtų būti bent dvigubai efektyvesnė nei dabar, kad būtų galima pigiai gaminti, sakoma Mildred Dresselhaus , termoelektrikos pradininkas ir fizikos bei elektros inžinerijos profesorius MIT. Ji sako, kad naudojant nanoskalės struktūras, o ne masinius medžiagų kristalus, galima padidinti jų efektyvumą. Nanostruktūros blokuoja šilumos srautą, bet leidžia lengvai tekėti elektronams. Tačiau bismuto telurido apdorojimas ir nanostruktūrizavimas nėra lengvas.

Kita vertus, silicis yra daug lengviau apdorojamas, už jo yra didelė apdorojimo infrastruktūra, sako Yang. Silicis taip pat turi daug mažesnę kainą nei bismuto teluridas. Silicio problema yra ta, kad jis yra blogas termoelektrikas. Geras termoelektrikas turi būti du dalykai: geras elektros laidininkas ir blogas šilumos laidininkas. Silicis labai gerai praleidžia ir šilumą, ir elektrą.

Yangas ir jo kolegos sumažino silicio šilumos laidumą naudodami silicio nanolaidus. Jie pagamino daugybę silicio nanolaidų, kurių skersmuo yra nuo 20 iki 300 nanometrų. Nanovailo sintezė dažnai apima nanodalelių suskystinimą ir skatinimą augti, panašiai kaip plaukas. Tačiau tai gamina nanolaidus su lygiais paviršiais. Cheminio ėsdinimo metodas, kurį Yang komanda naudoja, vietoj to sukuria nanolaidelius, kurių paviršius yra grubus. Tyrėjai išsiaiškino, kad laidai, kurių plotis yra apie 50 nanometrų, išlaiko elektros laidumą, tačiau turi tik šimtąją šilumos laidumo dalį. Dėl to termoelektrinis efektyvumas yra artimas kai kurių komercinių bismuto telūrido medžiagų efektyvumui.

Jokia dabartinė teorija nepaaiškina, kodėl nanolaidų šilumos laidumas taip smarkiai sumažėja. Viena iš priežasčių, Yang nuomone, yra ta, kad beveik vienmačiai nanolaidai ir vielų šiurkštūs kraštai blokuoja fononų, kurie yra dalelės, pernešančios šilumą, srautą. Tačiau visas vaizdas lieka neaiškus.

Ali Shakouri Elektros inžinerijos profesorius iš Kalifornijos universiteto Santa Kruze teigia, kad mokslininkai turės suprasti, kaip veikia fizika, kad galėtų pakankamai patobulinti technologiją, kad būtų galima gaminti komercinius prietaisus. Be to, nanolaidų naudojimas energijos konvertavimui ir energijos gamybai turi savo apribojimų, sako Shakouri. Tokioms programoms reikalingi dideli nanolaidelių masyvai, tačiau Gamta popieriaus, Yang ir jo kolegos išmatavo atskirų nanolaidelių elektrines savybes. Tyrėjai turės įsitikinti, kad šios savybės perkeliamos į visas nanolaidų matricas, sako Shakouri: nanolaidų skirtumai ir sąveika gali atimti tam tikrus pranašumus.

Vis dėlto, anot jo, tai svarbus darbas, galintis turėti didelę įtaką. Shakouri atkreipia dėmesį ne tik į silicio, kaip termoelektrinio, potencialo demonstravimą, bet ir į unikalią inžineriją, kurią mokslininkai naudojo kurdami neapdorotus nanolaidelius. Pasak jo, naujas būdas žaisti su medžiagų savybėmis yra labai įdomus. Tai galėtų atverti būdą patobulinti termoelektriką, kurią būtų galima pritaikyti kitoms medžiagoms.

Tuo tarpu Yangas ir jo kolegos jau galvoja, kaip pagerinti savo nanolaidų veikimą. Jie planuoja sumažinti nanolaidelių dydį ir padaryti jų paviršius šiurkštesnius nei jau yra. Tai turėtų pagerinti jų termoelektrines savybes, sako Yang. Tyrėjai taip pat planuoja sukurti ir išbandyti tikrą termoelektrinį įrenginį, naudodami silicio nanolaidus.

paslėpti