محققان دانشگاه نورث‌وسترن در دستاوردی جدید توانسته‌اند رکورد تبدیل حرارت به برق را در یک ماده بی‌نظم بشکنند.
به گزارش علم پرس به نقل از ایسنا، این فناوری که در مجله نیچر منتشر شده، نشان داده که بی‌نظمی می‌تواند در ایجاد یک نسل جدید از فناوریهای جمع‌آوری انرژی نقش اساسی ایجاد کند.
دارندگان لپ‌تاپ و مکانیکهای خودور می دانند که حرارت یک محصول جانبی اصلی در هر کار است. برای مثال در ایستگاههای تولید برق، تنها یک سوم انرژی وارد شده به ژنراتور به برق تبدیل شده و مابقی به شکل حرارت زائد پیش از چرخاندن توربین منتشر می‌شود.
برای دهه‌های متوالی فیزکدانان از راههای مختلف برای تبدیل مستقیم حرارت به برق استفاده کرده‌اند. مواد موسوم به ترموالکتریک از تفاوتهای دما برای هدایت الکترونها از یک سمت به سمت دیگر استفاده می‌کنند. این الکترونهای جابجا شده یک ولتاژ ایجاد می‌کنند که می‌تواند برای نیرو دادن به دیگر چیزها مانند یک پیل مورد استفاده قرار بگیرد.
چنین موادی از کاربردهای زیادی برخوردار بوده و برای مثال در کاوشگر کنجکاوی نیز که در سطح مریخ حرکت می‌کند، از این دستگاههای ترموالکتریک برای تبدیل حرارت نیروی پلوتونیوم به برق استفاده می‌شود.
اگرچه این دستگاهها برای استفاده در همه‌جا به اندازه کافی کارآمد نبوده و فناوریهای موجود تنها می‌توانند پنج تا هفت درصد از انرژی حرارتی را به برق تبدیل کنند که بسیار کمتر از بازده تبدیل فناوریهایی مانند صفحات خورشیدی است.
ساخت یک دستگاه ترموالکتریکی بهتر به کشف موادی بستگی دارد که تنها رسانای برق بوده و حرارت را منتقل نمی‌کنند. به گفته محققان برای دستیابی به این نتیجه باید بی‌نظمی را به ساختار مواد معرفی کرد.
این محققان از ترموالکتریک مشهور تلورید سرب استفاده کردند که معمولا از یک ساختار شبکه ای منظم برخوردار است. آنها چند اتم سدیم را درون این ماده وارد کردند تا رسانایی آن افزایش یابد. سپس چند نانوبلور تلورید استرانسیوم را که یک ماده ترموالکتریک شناخته شده دیگر است، درون ترکیب اولیه وارد کردند. این بلورها به الکترونها اجازه عبور داده اما جریان حرارت را در مقیاس کوچک مختل کرده و شیب دما را حفظ می‌کنند.
گام نهایی این پژوهش، توقف جریان دما در مقیاسهای بزرگتر بود. برای این کار این محققان یک نسخه منکسر از بلورهای ترموالکتریکی خود ساختند. این انکسار باعث دستیابی به نتیجه دلخواه شد. شکافها به الکترونها اجازه حرکت داده اما ارتعاشات حرارت را در بلور منعکس کردند. این ماده از یک بازده تغییر ۱۵ درصدی برخوردار بوده که دوبرابر ترموالکتریکهای تلورید سرب است.
هر چند این ماده هنوز آماده ورود به فناوریهایی مانند مریخ‌نوردهای بعدی ناسا نیست چرا که سدیم مورد استفاده برای حرکت دادن الکترونها بسیار انفعالی بوده و می‌تواند ماده را از بین ببرد بویژه اگر در امتداد شکستگیهای طراحی‌شده برای توقف جریان حرارت تجمع کند.
علم پرس
به گزارش علم پرس به نقل از ایسنا، این فناوری که در مجله نیچر منتشر شده، نشان داده که بی‌نظمی می‌تواند در ایجاد یک نسل جدید از فناوریهای جمع‌آوری انرژی نقش اساسی ایجاد کند.
دارندگان لپ‌تاپ و مکانیکهای خودور می دانند که حرارت یک محصول جانبی اصلی در هر کار است. برای مثال در ایستگاههای تولید برق، تنها یک سوم انرژی وارد شده به ژنراتور به برق تبدیل شده و مابقی به شکل حرارت زائد پیش از چرخاندن توربین منتشر می‌شود.
چنین موادی از کاربردهای زیادی برخوردار بوده و برای مثال در کاوشگر کنجکاوی نیز که در سطح مریخ حرکت می‌کند، از این دستگاههای ترموالکتریک برای تبدیل حرارت نیروی پلوتونیوم به برق استفاده می‌شود.
اگرچه این دستگاهها برای استفاده در همه‌جا به اندازه کافی کارآمد نبوده و فناوریهای موجود تنها می‌توانند پنج تا هفت درصد از انرژی حرارتی را به برق تبدیل کنند که بسیار کمتر از بازده تبدیل فناوریهایی مانند صفحات خورشیدی است.
ساخت یک دستگاه ترموالکتریکی بهتر به کشف موادی بستگی دارد که تنها رسانای برق بوده و حرارت را منتقل نمی‌کنند. به گفته محققان برای دستیابی به این نتیجه باید بی‌نظمی را به ساختار مواد معرفی کرد.
این محققان از ترموالکتریک مشهور تلورید سرب استفاده کردند که معمولا از یک ساختار شبکه ای منظم برخوردار است. آنها چند اتم سدیم را درون این ماده وارد کردند تا رسانایی آن افزایش یابد. سپس چند نانوبلور تلورید استرانسیوم را که یک ماده ترموالکتریک شناخته شده دیگر است، درون ترکیب اولیه وارد کردند. این بلورها به الکترونها اجازه عبور داده اما جریان حرارت را در مقیاس کوچک مختل کرده و شیب دما را حفظ می‌کنند.
گام نهایی این پژوهش، توقف جریان دما در مقیاسهای بزرگتر بود. برای این کار این محققان یک نسخه منکسر از بلورهای ترموالکتریکی خود ساختند. این انکسار باعث دستیابی به نتیجه دلخواه شد. شکافها به الکترونها اجازه حرکت داده اما ارتعاشات حرارت را در بلور منعکس کردند. این ماده از یک بازده تغییر ۱۵ درصدی برخوردار بوده که دوبرابر ترموالکتریکهای تلورید سرب است.
هر چند این ماده هنوز آماده ورود به فناوریهایی مانند مریخ‌نوردهای بعدی ناسا نیست چرا که سدیم مورد استفاده برای حرکت دادن الکترونها بسیار انفعالی بوده و می‌تواند ماده را از بین ببرد بویژه اگر در امتداد شکستگیهای طراحی‌شده برای توقف جریان حرارت تجمع کند.
علم پرس