211service.com
Przekształcanie ciepła odpadowego w energię
Krzem w postaci ogniw fotowoltaicznych dobrze wytwarza energię elektryczną ze światła słonecznego. Nowe badania pokazują, że może być również dobrym termoelektrykiem: materiałem, który zamienia ciepło w energię elektryczną i odwrotnie. Ponieważ krzem jest bardziej rozpowszechniony niż wiodące materiały termoelektryczne i ma za sobą rozległą infrastrukturę produkcyjną, może w końcu dostarczyć tanich urządzeń do wytwarzania energii z ciepła odpadowego silników lub ciepła słonecznego.
Fajny klient: Ten obraz, wykonany przez skaningowy mikroskop elektronowy, pokazuje szorstki nanodrut krzemowy łączący dwie poduszki grzewcze – jedną służącą jako źródło ciepła, a druga jako czujnik. Naukowcy odkryli, że nanodruty krzemowe o szerokości 50 nanometrów mają drastycznie niższą przewodność cieplną niż krzem luzem, ale zachowują przewodność elektryczną. W ten sposób nanodruty wykazują potencjał jako materiały termoelektryczne – te, które przekształcają ciepło w energię elektryczną i odwrotnie.
W tym tygodniu Natura , University of California, Berkeley, profesor chemii Peidong Yang a jego koledzy donoszą, że wyprodukowali nanodruty krzemowe, które wytwarzają energię elektryczną, gdy przyłożona jest do nich różnica temperatur. Do tej pory krzem był uważany za zły materiał termoelektryczny. Jednak według Yanga wydajność nanoprzewodów jest już porównywalna z najlepszym istniejącym materiałem termoelektrycznym.
Urządzenia termoelektryczne istnieją od wczesnych lat sześćdziesiątych, zwykle wykonane z tellurku bizmutu lub tellurku ołowiu. Stosowane są głównie do chłodzenia: gdy napięcie przyłożone jest do materiału termoelektrycznego, z jednej strony robi się goręcej, az drugiej chłodniej. Lodówki termoelektryczne są powszechnie stosowane w przenośnych lodówkach piknikowych i chłodzących fotelach samochodowych.
Jednak bardziej ekscytujące zastosowania dotyczą efektywności energetycznej i wytwarzania energii. Termoelektryki można wykorzystać do konwersji ciepła odpadowego wytwarzanego przez silniki samochodowe na energię elektryczną. Jeszcze atrakcyjniejszy jest pomysł wykorzystania przez termoelektrykę ciepła słonecznego do wytwarzania elektryczności. Ale tellurek bizmutu i tellurku ołowiu nie są wystarczająco wydajne, więc urządzenia z nich wykonane są kosztowne i nieporęczne, ponieważ wymagają więcej materiału.
Mówi się, że termoelektryki musiałyby być co najmniej dwa razy wydajniejsze niż teraz, które mają być wykorzystywane do taniego wytwarzania energii Mildred Dresselhaus , pionier termoelektryki oraz profesor fizyki i elektrotechniki na MIT. Mówi, że stosowanie struktur w nanoskali zamiast kryształów objętościowych materiałów może zwiększyć ich wydajność. Nanostruktury blokują przepływ ciepła, ale umożliwiają swobodny przepływ elektronów. Ale przetwarzanie i nanostrukturyzacja tellurku bizmutu nie jest łatwe.
Z drugiej strony krzem jest znacznie łatwiejszy w obróbce, ma za sobą dużą infrastrukturę przetwarzania, mówi Yang. Krzem ma również znacznie niższy koszt niż tellurek bizmutu. Problem z krzemem polega na tym, że jest to zły termoelektryk. Dobry termoelektryk musi składać się z dwóch rzeczy: dobrego przewodnika elektrycznego i złego przewodnika ciepła. Krzem bardzo dobrze przewodzi ciepło i elektryczność.
Yang i jego koledzy zmniejszyli przewodność cieplną krzemu, stosując nanodruty krzemowe. Wyprodukowali szereg nanoprzewodów krzemowych o średnicy od 20 do 300 nanometrów. Synteza nanodrutów często obejmuje upłynnienie nanocząsteczki i wywołanie jej wzrostu, podobnie jak włosów. Ale to daje nanoprzewody o gładkich powierzchniach. Metoda wytrawiania chemicznego, którą wykorzystuje zespół Yanga, skutkuje powstaniem nanodrutów o chropowatej powierzchni. Naukowcy odkryli, że przewody o szerokości około 50 nanometrów zachowują przewodność elektryczną, ale mają tylko jedną setną przewodności cieplnej. Skutkuje to sprawnością termoelektryczną zbliżoną do niektórych komercyjnych materiałów z tellurku bizmutu.
Żadna aktualna teoria nie wyjaśnia, dlaczego przewodnictwo cieplne nanoprzewodów spada tak drastycznie. Yang uważa, że jednym z powodów jest to, że prawie jednowymiarowe nanodruty i szorstkie krawędzie przewodów blokują przepływ fononów, które są cząsteczkami przenoszącymi ciepło. Ale pełny obraz pozostaje niejasny.
Ali Shakouri , profesor elektrotechniki z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz, mówi, że naukowcy będą musieli zrozumieć, jak działa fizyka, zanim będą mogli ulepszyć technologię na tyle, aby produkować urządzenia komercyjne. Co więcej, wykorzystanie nanoprzewodów do konwersji energii i wytwarzania energii ma swoje własne ograniczenia, mówi Shakouri. Takie aplikacje wymagają dużej liczby nanoprzewodów, ale w Natura na papierze, Yang i jego koledzy zmierzyli właściwości elektryczne poszczególnych nanodrutów. Naukowcy będą musieli upewnić się, że te właściwości przełożą się na całe macierze nanoprzewodów, mówi Shakouri: Różnice i interakcje między nanoprzewodami mogą odebrać pewne korzyści.
Mimo to, mówi, jest to ważna praca, która może mieć duży wpływ. Shakouri wskazuje nie tylko na zademonstrowanie potencjału krzemu jako termoelektryka, ale także na unikalną inżynierię, którą naukowcy wykorzystali do wytwarzania szorstkich nanoprzewodów. Nowy sposób zabawy właściwościami materiałów jest bardzo interesujący – mówi. Może otworzyć drogę do ulepszenia termoelektryki, którą można by zastosować do innych materiałów.
Tymczasem Yang i jego koledzy już zastanawiają się, jak poprawić działanie swoich nanoprzewodów. Planują zmniejszyć rozmiar nanodrutów i sprawić, by ich powierzchnie były bardziej chropowate niż są. To powinno poprawić ich właściwości termoelektryczne, mówi Yang. Naukowcy planują również wykonanie i przetestowanie rzeczywistego urządzenia termoelektrycznego przy użyciu nanoprzewodów krzemowych.