211service.com
Bieganie na gorąco i na zimno
Profesor Instytutu Mildred S. Dresselhaus chce nadać nowy kierunek XIX-wiecznej idei. Naukowcy od prawie 200 lat wiedzą o efekcie termoelektrycznym: niektóre materiały generują napięcie elektryczne, gdy ich temperatura jest różna z każdej strony. A kiedy zostanie do nich przyłożone napięcie, z jednej strony nagrzewają się, a z drugiej stają się zimniejsze. Wytwarzanie materiałów o tych właściwościach zawsze było jednak wyzwaniem: większość materiałów przewodzących prąd również przewodzi ciepło, więc ich temperatura szybko się wyrównuje. To sprawia, że są nieefektywne w wytwarzaniu energii elektrycznej i niepraktyczne w większości zastosowań związanych z ogrzewaniem lub chłodzeniem.
Jednak Dresselhaus, która bada fizykę ciał stałych w nanoskali, twierdzi, że urządzenia termoelektryczne staną się opłacalne, gdy nowe nanostrukturalne materiały, które ona i inni projektują w laboratorium, zostaną skomercjalizowane. Wraz z Gang Chen z MIT, Zhifeng Ren z Boston College i Jean-Pierre Fleurial z NASA Jet Propulsion Laboratory, Dresselhaus manipuluje właściwościami transportu energii materiałów w nanoskali, aby opracować dobre przewodniki elektryczne, które są słabymi przewodnikami ciepła. Pracując z kompozytami wykonanymi z komplementarnych materiałów półprzewodnikowych, takich jak tellurek bizmutu i german krzemowy, naukowcy mają nadzieję stworzyć materiały termoelektryczne dwukrotnie wydajniejsze od ich konwencjonalnych odpowiedników.
Istniejące materiały termoelektryczne mają już pewne zastosowania, takie jak foteliki samochodowe z indywidualnie regulowaną temperaturą, które można skutecznie ogrzać, gdy są zimne, lub schłodzone, gdy są spocone. System, wyprodukowany przez firmę z siedzibą w Michigan, zwiększa oszczędność paliwa, a także komfort: jeśli siedzisz na chłodnym miejscu, potrzebujesz mniej klimatyzacji, podkreśla Dresselhaus. Ale jeszcze lepsze byłyby aplikacje, które wychwytują ciepło odpadowe – powiedzmy z rury wydechowej samochodu – i przekształcają je w energię elektryczną. Wszyscy martwimy się o zrównoważoną energię, mówi. Gdybyśmy mogli odzyskiwać ciepło odpadowe do wytwarzania energii, moglibyśmy wykorzystać je do czegoś pożytecznego.
Obecnym wyzwaniem jest włączenie nanocząsteczek do struktur wystarczająco dużych, aby można je było podłączyć do systemu w skali człowieka. W tym celu Dresselhaus wyciska nanocząsteczki krzemu i germanu do formy, a następnie szybko je podgrzewa i schładza w próżni, aby ubić je w milimetrowe kostki. Ściskając ze sobą małe cząstki, które różnią się składem i rozmiarem, zwiększa powierzchnię materiału, tworząc tor przeszkód z wewnętrznych podstruktur w nanoskali, które spowalniają przenoszenie ciepła, jednocześnie przepuszczając energię elektryczną.
Nowe materiały mogą pomóc naukowcom w budowaniu układów chłodzenia w mikrochipach, zastępowaniu systemów HVAC opartych na freonach w pojazdach, zwiększeniu wydajności silników samochodowych i poprawie wydajności fotowoltaicznej poprzez wykorzystanie ciepła słonecznego i światła. Gdybyśmy mieli ulepszone materiały, które można by wytwarzać tanio iw dużych ilościach, z pewnością przemysł termoelektryczny mógłby posuwać się do przodu szybciej, mówi Dresselhaus. Nie skończy się na fotelikach samochodowych.