Všeobecné

MIT vyvíja nový spôsob, ako trojnásobne zvýšiť tepelnú elektrinu


Inžinieri spoločnosti MIT práve podstatne uľahčili prechod tepla na elektrinu. Tím vzal tradičné termoelektrické zariadenia a znovu ich objavil pomocou „topologických“ materiálov.

Topologický izolátor sú materiály, ktoré izolujú interiér, ale podporujú pohyb elektrónov na povrchu objektu. Pre postdoktora Te-Huan Liu z oddelenia strojárstva MIT je jedinečná fyzika topologických materiálov presne to, čo jeho tím použil pri objave.

„Zistili sme, že môžeme posúvať hranice tohto nanostruktúrovaného materiálu spôsobom, ktorý robí z topologických materiálov dobrý termoelektrický materiál, a to viac ako bežné polovodiče, ako je kremík,“ uviedol v rozhovore pre MIT. „Nakoniec by to mohol byť spôsob čistej energie, ktorý by nám pomohol využívať zdroj tepla na výrobu elektriny, čo zníži naše uvoľňovanie oxidu uhličitého.“

Termoelektrické zariadenia sa v súčasnosti používajú na napájanie aplikácií s relatívne nízkym výkonom. Pracujú pre snímače ropovodu, takmer na všetkých kozmických sondách posledných rokov, v automobilových termoelektrických generátoroch na zvýšenie palivovej efektívnosti, ba dokonca aj na niektorých minibridkách. Dokonca ich možno nájsť v elektrárňach na účely premeny prebytočného odpadového tepla na ďalšiu elektrickú energiu. Zistenia Liu a tímu by však mohli zvýšiť energiu produkovanú termoml trikrát viac než je to, čo sa tradične považuje za možné.

Ako to však funguje? Keď sa jeden koniec tradičných termoelektrických materiálov zahreje a druhá strana sa ochladí, elektróny prúdia z horúceho do studeného konca a vytvárajú elektrický prúd. Čím väčší je teplotný rozdiel, tým vyšší je prúd. Množstvo generovanej energie závisí aj od vlastností samotného materiálu.

Predchádzajúci výskum však ukázal, že topologické materiály môžu byť v skutočnosti nanostruktúrované a vzorované tak, aby sa zvýšila ich schopnosť nakoniec zvýšiť prúd. Liu a jeho tím chceli presne vidieť, koľko z tejto podpory pochádzalo zo samotného topologického matieralu a koľko pramenilo z toho, ako by sa dala reštrukturalizovať.

Za účelom získania týchto odpovedí Liu študoval výkon teluridu cínu - jedného z najlepších termoelektrických topologických materiálov. Polovodič je často legovaný olovom, ktoré sa používa v infračervených detektoroch.

Aby bolo možné zmerať nanostruktúru s prirodzenou výkonnosťou, tím zmeral priemernú vzdialenosť, ktorú by elektrón s danou energiou urazil v materiáli, skôr ako bol rozptýlený chybami v uvedenom materiáli. Je to bežne používaný proces nazývaný „stredná voľná cesta“.

Tím nakoniec zistil, že čím menšia je veľkosť zrna materiálu, elektróny s vyššou energiou vedú viac elektrického prúdu, pretože je menej pravdepodobné, že budú rozptýlené. Existuje teda väčší priestor na vylepšenie napätia. Najlepší scenár, ktorý vedci našli? Zníženie zrna teluridu cínu na iba 10 nanometrov im poskytlo trojnásobné množstvo elektriny, aké by sa stalo s väčším zrnom.

Podľa prieskumu:

"Nanostrukturované materiály pripomínajú mozaiku drobných kryštálov, z ktorých každý má hranice známe ako hranice zŕn, ktoré oddeľujú jeden kryštál od druhého. Keď elektróny narazia na tieto hranice, majú tendenciu sa rôzne rozptýliť. Elektróny s dlhými strednými voľnými dráhami sa silno rozptýlia, ako guľky odrážajúce sa od steny, zatiaľ čo elektróny s kratšími strednými voľnými dráhami sú ovplyvnené oveľa menej. ““

"V našich simuláciách sme zistili, že môžeme zmenšiť veľkosť zrna topologického materiálu oveľa viac, ako sa doteraz myslelo, a na základe tohto konceptu môžeme zvýšiť jeho účinnosť," uviedol Liu.

Liu a tím nakoniec povedali, že tento objav by mohol pomôcť inžinierom vyrábať inteligentnejšie zariadenia, ktoré efektívnejšie využívajú energiu a ničím neplytvajú - dokonca ani tepelným výkonom.


Pozri si video: Bohemia Energy - Nic na vás nehrajeme - 1 díl (November 2021).