Jak přeměnit teplo na elektřinu?
Dokonce i jaderné elektrárny vyrábějí elektřinu prostřednictvím parních turbín. To znamená, že jsme si podmanili energii atomu, ale donutili jsme jej k varu vody, čímž jsme ztratili nejméně 55 % energie. Ale zdá se, že lidstvo je konečně připraveno udělat velký krok vpřed a efektivně přeměnit tepelnou energii na elektrickou energii bez zprostředkování páry.
Na planetě Zemi se tedy plánuje technologický průlom: bylo vyvinuto nové termoelektrické zařízení využívající nanopilíře nitridu galia na křemíkovém substrátu, což výrazně zvyšuje účinnost přeměny tepla na elektřinu. Byl vyroben týmem vědců z amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) a University of Colorado v Boulderu.
I pouhé použití nového vývoje k zachycení plýtvané tepelné energie by jen v USA ušetřilo ročně asi 100 miliard dolarů. A v celosvětovém měřítku – stovky miliard.
Husajnův efekt
Neobvyklého chování křemíku v termoelektrickém páru s nitridem galia si jako první všiml teoretik Mahmoud Hussein z University of Colorado. Kontaktoval NIST’s Applied Physics Division, kterou vede výzkumník Chris Burtness. Kombinovaná skupina studovala úžasný efekt a dokázala pochopit princip, kterým se projevuje.
Technologie, která se nakonec vyvinula, zahrnuje ukládání stovek tisíc mikroskopických sloupců nitridu galia na křemíkový plátek. Interakce mezi pilíři a substrátem zpomaluje přenos tepla v křemíku, což mu umožňuje udržovat teplotní rozdíl a umožňuje tok většího elektrického proudu. Vypadá to nejasně? Pojďme si to vysvětlit.
Jak to funguje
Nový vývoj je založen na jevu, který objevil německý fyzik Thomas Seebeck v roce 1822. Seebeckův jev spočívá v tom, že v uzavřeném okruhu sestaveném ze dvou různých materiálů – v jeho prvním experimentu to byly vizmut a antimon – vzniká potenciální rozdíl také při kontaktu materiálů při rozdílu teplot.
Teoreticky to poskytuje ideální příležitost pro přeměnu tepelné energie na elektrickou energii. Ale bohužel je tu jedna nuance.
Pro získání velkého množství energie ze Seebeckova jevu musí alespoň jeden z dvojice materiálů špatně vést teplo. Jinak nebude teplotní rozdíl zachován. Zároveň musí materiál také dobře vést elektrický proud.
U většiny látek však jdou tepelná vodivost a elektrická vodivost ruku v ruce; špatný vodič tepla se stává špatným vodičem elektřiny a naopak. Výsledkem bylo, že termoelektrické prvky na bázi polovodičů měly dosud v nejlepším případě účinnost 1.5−2 %.
Když jsou fonony mimo fázi
Co udělal NIST: pěstováním nanopilířů nitridu galia na křemíkové membráně vědci snížili tepelnou vodivost křemíku o 21 %, aniž by snížili elektrickou vodivost. Jak?
U pevných látek je tepelná energie přenášena fonony – periodickými vibracemi atomů v krystalové mřížce. Takže fonony v křemíkové membráně jsou částečně mimo fázi s fonony v nanopilírech nitridu galia. Díky tomu vibrace v křemíku odezní a ten se ochladí.
Rychlost pohybu elektronů přitom zůstává vysoká, takže máme výborný termoelektrický prvek.
Samostatně poznamenáváme, že se nejedná pouze o novou technologii, je to objev v celosvětovém měřítku – u žádného materiálu nebylo nikdy pozorováno takové snížení tepelné vodivosti bez zhoršení schopnosti vést elektřinu.
Jakmile se zlepší výrobní metoda, lze takové termočlánky použít minimálně k přeměně tepelných emisí na elektřinu – včetně elektráren. Na druhou stranu by se technologie měla hodit i pro chlazení – například počítačů.
Zajímavé je, že v zásadě se v elektronice již používá kombinace nitrid gallia a křemíku. I když relativně nedávno. Z těchto materiálů jsou vyrobeny tranzistory, a to i pro vysílací stanice mobilní komunikace. Včetně Ruska. Ale koncept výroby elektřiny z hromady těchto materiálů je nový a slibný nápad.
Toto je také zajímavé:
- Ve vztahu s chatbotem: proč lidé dávají přednost virtuálním partnerům před skutečnými
- Vedlejší efekt: jak sběr odpadků v Tichém oceánu poškozuje životní prostředí
- Inovace BC: jak primitivní lidé vyráběli nože