مواد جدید و تبدیل گرمای هدر رفته به برق مفید

17 اکتبر 2023 – توسط دانشگاه ریدینگ

الف) اسکن انتقال انرژی برای Cu12Sb4S13 و Cu14Sb4S13 در دماهای مختلف. ب) مقاومت الکتریکی به عنوان تابعی از دما. ناهنجاری در  مساوی90 K مربوط به یک انتقال فاز مکعبی به چهارضلعی است. ج) اسکن انتقال انرژی برای یون‌های مس در Cu14Sb4S13 به عنوان تابعی از دما، بر اساس شبیه‌سازی‌های MD محاسبه شده است.

دانشمندان راهی برای طراحی موادی کشف کرده‌اند که بهره‌وری انرژی را بهبود می‌بخشد، پیشرفتی که می‌تواند به مبارزه با تغییرات آب و هوایی کمک کند، تولید را سبزتر کند، و حتی می‌تواند دردسر شارژ کردن ساعت هوشمند شما را برطرف کند.

نوآوری جمع آوری انرژی ترموالکتریک روش جدیدی را برای مهار منابع گرمای هدر رفته که قبلا استفاده نشده بود و تبدیل آن به برق شناسایی می کند.

مواد ترموالکتریک می توانند اختلاف دما را به الکتریسیته تبدیل کنند. محققان ریدینگ کشف کرده اند که اگر یک ماده ترموالکتریک دارای یون های متحرک در داخل قفس باشد، جریان گرما کاهش می یابد. این دو طرف سرد و گرم را در دماهای مختلف نگه می‌دارد، در حالی که الکترون‌ها می‌توانند از سمت گرم به سمت سرد جریان پیدا کنند، بنابراین می‌توان الکتریسیته تولید کرد.

معمولاً موادی که دارای یون های متحرک هستند هنگام تولید برق مانند این شکسته می شوند. اما مواد تشریح شده در مطالعه جدید منتشر شده در Advanced Materials به راحتی تجزیه نمی‌شوند و می‌توانند به دستگاه‌ها و ژنراتورها اجازه دهند گرمای هدر رفته را به برق مفیدتر از طرح‌های فعلی تبدیل کنند.

دکتر Paz Vaqueiro، از گروه شیمی دانشگاه ریدینگ، این مطالعه را رهبری کرد. او گفت: “این کشف پتانسیل کمک به مقابله با بحران جهانی انرژی و کمک به مبارزه با تغییرات آب و هوایی را دارد. تقریباً دو سوم انرژی تولید شده در سراسر جهان به شکل گرما هدر می رود. حتی کسری از این گرمای اتلاف را به دوباره تبدیل می کند. برق مفید به تضمین تامین انرژی پایدار و کاهش انتشار کربن کمک می کند.

پیش‌بینی می‌شود که بریتانیا در سال 2050 دو برابر سال 2020 به برق نیاز داشته باشد. پتانسیل فناوری ترموالکتریک چندین سال است که شناخته شده است، اما در حال حاضر ژنراتورها گران هستند و کارآمد نیستند. استفاده از فناوری جدید ترموالکتریک کارکرد ارزان‌تر و کارآمدتر می‌تواند به تبدیل 48 TWh گرمای زباله‌ای که بریتانیا هر سال تولید می‌کند به برق تبدیل کند و می‌تواند به ما در مسیر رسیدن به صفر خالص کمک کند.

این پیشرفت نه تنها می‌تواند پیامدهای مثبتی برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی داشته باشد، بلکه می‌تواند برای برخی از دستگاه‌ها و ماشین‌آلاتی که روزانه استفاده می‌کنیم نیز تفاوت ایجاد کند.

در حال حاضر، دستگاه‌های ترموالکتریک و ژنراتورها گران هستند و فقط در کاربردهای خاص (مانند کاوشگرهای وویجر که توسط ناسا برای اکتشاف فضای فراتر از منظومه شمسی فرستاده می‌شوند) استفاده می‌شوند. با این حال، توسعه ژنراتورهای ترموالکتریک جدید می‌تواند تأثیر زیادی بر دستگاه‌های پوشیدنی مانند ساعت‌های هوشمند داشته باشد، جایی که فناوری کنونی متکی به باتری‌هایی است که نیاز به شارژ مجدد منظم دارند. حذف این نیاز، با برداشت گرمای بدن برای تولید نیرو، نه تنها می‌تواند راحت‌تر باشد، بلکه می‌تواند فناوری پوشیدنی را در کاربردهای حیاتی، مانند نظارت بر سلامت بیماران آسیب‌پذیر یا مسن، قابل اعتمادتر کند.

این توسعه می تواند برای صنعت موتور استفاده شود و به خودروسازان اجازه می دهد تا ژنراتورهای ترموالکتریکی را توسعه دهند که از گرمای اتلاف برای شارژ باتری خودروهای برقی یا هیبریدی استفاده می کنند و کارایی آنها را افزایش می دهند. کارخانه های تولید شیشه، فولاد یا سیمان که در حال حاضر کربن فشرده هستند و مقادیر زیادی گرمای اتلاف تولید می کنند نیز می توانند از این فناوری بهره مند شوند.