Istraživači sa Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) proizveli su novi uređaj koji bi mogao dramatično povećati pretvaranje toplote u električnu energiju. Ako se usavrši, tehnologija bi mogla da pomogne da se povrati deo toplotne energije koja se troši u SAD po stopi od oko 100 milijardi dolara svake godine.
Nova tehnika izrade — koju su razvili istraživač NIST-a Kris Bertness i njeni saradnici — uključuje deponovanje stotina hiljada mikroskopskih kolona galijum nitrida na vrh silicijumske pločice. Slojevi silicijuma se zatim uklanjaju sa donje strane oblatne sve dok ne ostane samo tanak sloj materijala.
Interakcija između stubova i silicijumske ploče usporava transport toplote u silicijumu, omogućavajući da se veći deo toplote pretvori u električnu struju. Bertness i njeni saradnici na Univerzitetu Kolorado Boulder objavili su nalaze na internetu 23. marta u Advanced Materials.
Kada se metoda izrade usavrši, silikonski listovi bi mogli biti omotani oko parnih ili izduvnih cevi da bi se emisije toplote pretvorile u električnu energiju koja bi mogla da napaja obližnje uređaje ili da se isporuči u električnu mrežu. Druga potencijalna primena bi bila hlađenje kompjuterskih čipova.
Studija NIST Univerziteta u Koloradu zasnovana je na neobičnom fenomenu koji je prvi otkrio nemački fizičar Thomas Seebeck. Početkom 1820-ih, Seebeck je proučavao dve metalne žice, svaka napravljena od različitog materijala, koje su bile spojene na oba kraja kako bi formirale petlju.
Primetio je da kada su dva spoja koji povezuju žice držana na različitim temperaturama, igla obližnjeg kompasa se skretala. Drugi naučnici su ubrzo shvatili da je do otklona došlo zato što je temperaturna razlika izazvala napon između dva regiona, uzrokujući da struja teče iz toplijeg u hladniji region. Struja je stvorila magnetno polje koje je skrenulo iglu kompasa. Zasluge: Nacionalni institut za standarde i tehnologiju
U teoriji, takozvani Seebeck efekat mogao bi biti idealan način za recikliranje toplotne energije koja bi inače bila izgubljena. Ali postojala je velika prepreka. Materijal mora loše provoditi toplotu da bi održao temperaturnu razliku između dva regiona, ali izuzetno dobro provodi električnu energiju da bi pretvorio toplotu u značajnu količinu električne energije. Za većinu supstanci, međutim, provodljivost toplote i električna provodljivost idu ruku pod ruku; loš provodnik toplote čini loš električni provodnik i obrnuto.
Proučavajući fiziku termoelektrične konverzije, teoretičar Mahmud Husein sa Univerziteta u Koloradu otkrio je da se ova svojstva mogu razdvojiti u tankoj membrani prekrivenoj nanostubovima — stojećim stubovima materijala dužine ne više od nekoliko milionitih delova metra, ili oko jednog -desetina debljine ljudske kose. Njegovo otkriće dovelo je do saradnje sa Bertnessom.
Koristeći nanostubove, Bertness, Hussein i njihove kolege su uspeli da odvoje toplotnu provodljivost od električne provodljivosti u silicijumskoj ploči — prvi put za svaki materijal i prekretnica za omogućavanje efikasne konverzije toplote u električnu energiju. Istraživači su smanjili toplotnu provodljivost silicijumske ploče za 21% bez smanjenja njene električne provodljivosti ili promene Seebeckovog efekta.
U silicijumu i drugim čvrstim materijama, atomi su ograničeni vezama i ne mogu se slobodno kretati da bi preneli toplotu. Kao posledica toga, transport toplotne energije ima oblik fonona – pokretnih kolektivnih vibracija atoma. I nanostubovi od galijum nitrida i silicijumski sloj nose fonone, ali oni unutar nanostubova su stojeći talasi, prikovani zidovima sićušnih stubova, slično kao što se vibrirajuća žica za gitaru drži fiksirana na oba kraja.
Interakcija između fonona koji putuju u silicijumskoj ploči i vibracija u nanostubovima usporavaju putujuće fonone, što otežava prolazak toplote kroz materijal. Ovo smanjuje toplotnu provodljivost, čime se povećava temperaturna razlika od jednog do drugog kraja. Jednako važno, fononska interakcija postiže ovaj podvig dok električna provodljivost silicijumske ploče ostaje nepromenjena.
Tim sada radi na strukturama napravljenim u potpunosti od silicijuma i sa boljom geometrijom za termoelektrični povrat toplote. Istraživači očekuju da će pokazati stopu konverzije toplote u električnu energiju dovoljno visoku da bi njihova tehnika bila ekonomski održiva za industriju.
