Νέα υλικά που θερμαίνονται κάτω από υψηλά μαγνητικά πεδία, μπορούν να παράγουν επίπεδα ενέργειας ρεκόρ.
Φανταστείτε ότι μπορείτε να τροφοδοτείτε το αυτοκίνητό σας με ενέργεια εν μέρει από τη θερμότητα που εκπέμπει ο κινητήρας του. Τέτοια ενεργειακά αποδοτικά σενάρια μπορεί μία ημέρα να είναι δυνατά με βελτιώσεις στα θερμοηλεκτρικά υλικά που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα όταν θερμαίνεται η μία πλευρά του υλικού.
Τα τελευταία 60 χρόνια, οι επιστήμονες έχουν μελετήσει διάφορα υλικά για να χαρακτηρίσουν το θερμοηλεκτρικό δυναμικό τους ή την αποτελεσματικότητα με την οποία μετατρέπουν τη θερμότητα σε ενέργεια. Αλλά μέχρι σήμερα, τα περισσότερα από αυτά τα υλικά έχουν αποδώσει μια αποτελεσματικότητα που είναι πολύ χαμηλή για οποιαδήποτε ευρεία πρακτική χρήση.
Οι φυσικοί από το πανεπιστήμιο του MIT βρήκαν τώρα έναν τρόπο να ενισχύσουν σημαντικά το δυναμικό της θερμοηλεκτρικής ενέργειας, με μια θεωρητική μέθοδο που αναφέρθηκε σήμερα στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances. Το υλικό που μοντελοποίησαν με αυτή τη μέθοδο είναι πέντε φορές πιο αποτελεσματικό και θα μπορούσε δυνητικά να δημιουργήσει διπλάσια ποσότητα ενέργειας, δηλαδή θα μπορούσαμε να τα χαρακτηρίσουμε ως τα καλύτερα θερμοηλεκτρικά υλικά που υπάρχουν σήμερα.
Ο επικεφαλής της μελέτης, ο Brian Skinner από το MIT ανέφερε τα εξής: Μπορεί να δειτε κάποια στιγμή στο κοντινό μέλλον στα αυτοκίνητα εγκατεστημένες μικρές θερμοηλεκτρικές συσκευές που απορροφούν την απορριπτόμενη θερμότητα που αποβάλλει ο κινητήρας του αυτοκινήτου σας και να το χρησιμοποιήσετε για να επαναφορτίσετε την μπαταρία του ηλεκτρικού οχήματος σας. Επιπλέον αυτές οι συσκευές μπορεί να τοποθετηθούν γύρω από τις μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ακόμη και σε μικρά εργοστάσια, έτσι ώστε η θερμότητα που προηγουμένως χανόταν ανεκμετάλλευτη, πλέον θα τροφοδοτεί το ηλεκτρικό δίκτυο της περιοχής σας.
Η ικανότητα ενός υλικού να παράγει ενέργεια από τη θερμότητα βασίζεται στη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων του, παρουσία μιας συγκεκριμένης διαφορά στη θερμοκρασία. Όταν μια πλευρά ενός θερμοηλεκτρικού υλικού θερμαίνεται, μπορεί να ενεργοποιήσει τα ηλεκτρόνια έτσι ώστε να μεταβούν από την θερμή πλευρά και να συσσωρευτούν στην ψυχρή πλευρά. Η προκύπτουσα συσσώρευση ηλεκτρονίων μπορεί να δημιουργήσει μια μετρήσιμη τάση.
Τα υλικά που έχουν εξερευνηθεί μέχρι τώρα από πολλές επιστημονικές ομάδες έχουν δημιουργήσει πολύ λίγη θερμοηλεκτρική ισχύ, εν μέρει επειδή τα ηλεκτρόνια είναι σχετικά δύσκολα να ενεργοποιηθούν θερμικά. Στα περισσότερα υλικά, τα ηλεκτρόνια υπάρχουν σε συγκεκριμένες ζώνες ή σε περιοχές ενέργειας. Κάθε ζώνη χωρίζεται από ένα κενό – και μια μικρή κλίμακα ενεργειών στις οποίες δεν μπορούν να υπάρχουν ηλεκτρόνια. Η ενεργοποίηση των ηλεκτρονίων τους δίνει τη δυνατότητα να διασχίσουν ένα χάσμα ζώνης και να μεταναστεύσουν σε ένα υλικό, ωστόσο αυτή η διαδικασία μέχρι πρότινος ήταν εξαιρετικά δύσκολη.
Οι επιστήμονες της συγκεκριμένης μελέτης αποφάσισαν να εξετάσουν το θερμοηλεκτρικό δυναμικό μιας οικογένειας υλικών που είναι γνωστά ως topological semimetals. Σε αντίθεση με τα περισσότερα άλλα στερεά υλικά όπως οι ημιαγωγοί και οι μονωτήρες, τα topological semimetals είναι μοναδικά στο ότι έχουν κενά μηδενικής ζώνης – μια ενεργειακή διαμόρφωση που επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να μεταπηδούν εύκολα σε υψηλότερες ενεργειακές ζώνες όταν θερμαίνονται.
Οι επιστήμονες αρχικά είχαν υποθέσει λανθασμένο ότι τα topological semimetals, ένα σχετικά νέο είδος υλικού που συντίθεται σε μεγάλο βαθμό στο εργαστήριο, δεν ήταν ικανό να παράγει μεγάλη θερμοηλεκτρική ισχύ και πίστευαν ότι όταν το υλικό θερμαίνεται στη μία πλευρά, τα ηλεκτρόνια ενεργοποιούνται και συσσωρεύονται στο άλλο άκρο. Αλλά καθώς αυτά τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια μεταπηδούν σε υψηλότερες ενεργειακές ζώνες, αφήνουν πίσω τους «τρύπες» – σωματίδια θετικής φόρτισης που επίσης συσσωρεύονται στην ψυχρή πλευρά του υλικού, ακυρώνοντας την επίδραση των ηλεκτρονίων που τελικά είχε ως αποτέλεσμα παράγουν πολύ λίγη ενέργεια.
Οπότε σύμφωνα με τα νέα δεδομένα οι επιστήμονες ανέφεραν: “Τελικά καταλάβαμε ότι κάτω από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο συμβαίνει ένα αστείο πράγμα, όπου θα μπορούσατε να κάνετε ta ηλεκτρόνια και tw τρύπες να κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Τα ηλεκτρόνια πηγαίνουν προς την ψυχρή πλευρά και έπειτα εισέρχονται στις τρύπες της καυτής πλευράς, λειτουργούν μαζί και κατά συνέπεια θα μπορούσαμε να πάρουμε μια μεγαλύτερη τάση από το ίδιο υλικό απλά κάνοντας το μαγνητικό πεδίο ισχυρότερο.
Στη θεωρητική τους μοντελοποίηση, η ομάδα υπολογίζει το ZT της χημικής Ένωσης Tin Selenide (SnSe) ή το ποσό της αξίας, μια ποσότητας που σας λέει πόσο κοντά είναι το υλικό σας στο θεωρητικό όριο για την παραγωγή ενέργειας από τη θερμότητα. Τα πιο αποδοτικά υλικά που έχουν αναφερθεί μέχρι στιγμής έχουν ZT περίπου 2. Στην παρούσα φάση οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι κάτω από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο περίπου 30 tesla, το tin selenide μπορεί να έχει ZT 10 περίπου 5 φορές πιο αποτελεσματικό από το θερμοηλεκτρικό προϊόν με τις καλύτερες επιδόσεις.
Υπολογίζουν ότι ένα υλικό με ZT ίσο με 10, εάν θερμανθεί σε θερμοκρασία δωματίου σε περίπου 500 kelvins, ή 440 βαθμούς Φαρενάιτ, κάτω από ένα μαγνητικό πεδίο 30-tesla , θα να μπορεί να μετατρέψει το 18% αυτής της θερμότητας σε ηλεκτρισμό, σε σύγκριση με υλικά που έχουν ZT ίσο με 2, τα οποία θα μπορούσαν να μετατρέψουν μόνο το 8% αυτής της θερμότητας σε ενέργεια.
Η ομάδα αναγνωρίζει ότι, για να επιτευχθούν τέτοιες υψηλές αποδόσεις, τα σημερινά διαθέσιμα topological semimetals θα πρέπει να θερμαίνονται κάτω από ένα εξαιρετικά υψηλό μαγνητικό πεδίο που θα μπορούσε να παραχθεί μόνο από λίγες εγκαταστάσεις στον κόσμο. Για να είναι αυτά τα υλικά πρακτικά για χρήση σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής ή αυτοκίνητα, θα πρέπει να λειτουργούν με εύρος μαγνητικού πεδίου από 1 έως 2 tesla, κάτι που είναι εφικτό αν ένα topological semimetals είναι εξαιρετικά καθαρό, πράγμα που σημαίνει ότι θα υπάρχουν πολύ λίγες ακαθαρσίες στο υλικό.
Για να γίνει πολύ καθαρό το υλικό πρακτικά είναι λιγάκι δύσκολο, αλλά είναι γεγονός πως διάφοροι επιστήμονες ανά την υφήλιο έχουν αφιερώσει πολλές προσπάθειες για την υψηλής ποιότητας ανάπτυξης αυτών των υλικών.
Πρόσθεσαν δε ότι το tin selenide, το υλικό στο οποίο επικεντρώθηκε η μελέτη, δεν είναι το καθαρότερο που συνέταξαν οι επιστήμονες. Με άλλα λόγια, μπορεί να υπάρχουν άλλα, καθαρότερα υλικά που μπορούν να παράγουν την ίδια ποσότητα θερμικής ισχύος με πολύ μικρότερο απαιτούμενο μαγνητικό πεδίο.
Η ομάδα έχει καταθέσει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τη νέα τους θερμοηλεκτρική προσέγγιση και συνεργάζεται με τους ερευνητές του Πρίνστον για να δοκιμάσουν πειραματικά τη θεωρία.
