Termoelektrični generatori koji mogu da pretvore otpadnu toplotu u čistu energiju uskoro bi mogli biti efikasni kao i drugi obnovljivi izvori energije, poput solarne, prema timu koji predvode naučnici Penn State.
Koristeći materijale visoke entropije, istraživači su stvorili efikasnije termoelektrične materijale nego što je ranije bilo moguće, što je napredak za koji su rekli da bi čak mogao pomoći da se istraživanje svemira na velike udaljenosti omogući. Svoje rezultate objavili su u časopisu Joule.
Termoelektrični uređaji — uključujući radioizotopne termoelektrične generatore koji proizvode energiju za NASA-ina vozila za istraživanje svemira — mogu pretvoriti razlike u temperaturi u električnu energiju. Kada se postave blizu izvora toplote — poput parne cevi u elektrani — nosioci naelektrisanja, poput elektrona, kreću se sa tople strane na hladnu, proizvodeći električnu struju.
Trenutni komercijalno dostupni uređaji imaju efikasnost od 5% do 6%. Istraživači su koristili svoj novi pristup proizvodnji da bi stvorili prototip koji je dostigao efikasnost konverzije od 15%. Poboljšana efikasnost znači da bi se postojeći uređaji mogli smanjiti za 200% i dalje proizvoditi istu energiju, ili da uređaj iste veličine može proizvesti 200% energije, rekli su istraživači.
„Ovi nalazi pokazuju novi pravac u tome kako možemo poboljšati termoelektrične uređaje da budu zaista efikasni“, rekao je Bed Poudel, profesor istraživanja na Odeljenju za nauku o materijalima i inženjerstvo u Penn State i koautor studije. „Naš rad pruža novi put ka stvaranju veoma uzbudljivih termoelektričnih materijala i mogao bi dovesti do još većeg napretka u budućem razvoju materijala.“
Tim Penn State-a je ranije koristio polu-Heuslerove legure — specijalnu klasu materijala koji su dobri u generisanju termoelektrične energije na srednje visokim temperaturama — da bi poboljšali performanse uređaja. Ovi materijali su obično legure napravljene od tri metalna elementa, ponekad sa dodacima ili malim količinama drugih materijala, dodatih radi poboljšanja performansi.
U novom radu, naučnici su se okrenuli visokoentropijskim polu-Hojslerovim materijalima. Ove legure, koje su napravljene od najmanje pet glavnih elemenata u jednoj kristalnoj strukturi, imaju ista svojstva koja se nalaze u polu-Heuslerovim materijalima, ali su poboljšana.
„Ono što smo uradili u ovom radu je da smo uspešno integrisali visokoentropijski inženjering u polu-Hojslerov sistem“, rekao je Venjie Li, vanredni profesor istraživanja na Penn State-u i ko-korespondentni autor studije.
„Sa konvencionalnim jedinjenjima, možda imate 100 opcija za pravljenje različitih hemijskih sastava. Ali kada koristimo koncept visoke entropije, možemo napraviti možda hiljade hemijskih kompozicija kako bismo promenili svojstva materijala.“
Naučnici su rekli da korišćenje materijala visoke entropije sa više atoma znači da su kristalne strukture više neuređene i da nosiocima naboja treba duže da se kreću kroz materijal, smanjujući njegovu toplotnu provodljivost. Dodatni atomi se biraju na takav način da materijal održava veći faktor snage, meru koliko efikasno električni sistem može da pretvori snagu u koristan rad.
„U ovom konceptu, možemo istovremeno da održavamo faktor velike snage i dobijemo nisku toplotnu provodljivost kako bismo maksimizirali cifru zasluga, što je mera efikasnosti materijala“, rekla je Subrata Goš, postdoktorski naučnik na Penn State i vodeći autor studije.
„Inženjering visoke entropije se može inkorporirati sa konvencionalnim pristupima kako bi se dodatno poboljšala zasluga u bilo kojoj klasi termoelektričnih materijala.“
Novi termoelektrični materijal postigao je rekordno visoku cifru od 1,50 pri promeni temperature od 1060 stepeni Kelvina, ili otprilike 1448 stepeni Farenhajta. To predstavlja povećanje od 50% u odnosu na trenutne vrhunske materijale, rekli su naučnici.
„Materijali sa visokom entropijom se često koriste u visokotemperaturnim vatrostalnim aplikacijama kao što su mlazni motori ili hipersonična vozila, ali ovo je prvi put da su korišćeni za razvoj superiornog polu-Hojslerovog termoelektričnog sistema“, rekao je Li.
Rad ima implikacije za stvaranje efikasnijih uređaja za povrat otpadne toplote u industrijskim okruženjima. Povraćaj ove otpadne toplote i njeno korišćenje za obezbeđivanje električne energije može smanjiti potrošnju fosilnih goriva. A pošto nemaju pokretne delove i ne proizvode hemijske reakcije ili emisije, termoelektrični uređaji nude obećavajući izvor čiste energije, rekli su naučnici.
Termoelektrični uređaji liče na sto sa dve noge — jedna noga je napravljena od p-tipa i druga od n-tipa poluprovodničkog materijala. Trenutna studija se odnosi samo na materijal p-tipa, a naučnici su rekli da bi dalji rad na primeni ovoga na n-tip mogao dovesti do dodatnog povećanja efikasnosti.
„Ako ovo možemo da primenimo na širu klasu termoelektričnih materijala i nastavimo da dobijamo dobre brojke, zaista možemo povećati efikasnost konverzije ka 20% ili više“, rekao je Poudel.
„To bi bilo veoma konkurentno solarnoj energiji ili drugim tehnologijama za proizvodnju električne energije u čvrstom stanju. To je uzbudljiv deo toga — videti do čega to može dovesti u budućem materijalnom razvoju.“
