Ce au în comun un motor de mașină, o centrală electrică, o fabrică și un panou solar? Toate generează căldură - din care multe sunt irosite.

transformarea

Fizicienii Universității din Arizona au descoperit un nou mod de a recolta căldura reziduală și de a o transforma în energie electrică.

Folosind un model teoretic al așa-numitului dispozitiv termoelectric molecular, tehnologia oferă o mare promisiune pentru a face mașinile, centralele electrice, fabricile și panourile solare mai eficiente, pentru a numi câteva aplicații posibile. În plus, materialele termoelectrice mai eficiente ar face ca clorofluorocarburile care epuizează ozonul sau CFC-urile să fie învechite.

Grupul de cercetare condus de Charles Stafford, profesor asociat de fizică, și-a publicat concluziile în numărul din septembrie al revistei științifice, ACS Nano.

„Termoelectricitatea face posibilă transformarea curată a căldurii direct în energie electrică într-un dispozitiv fără piese în mișcare”, a declarat autorul principal Justin Bergfield, doctorand la Colegiul de Științe Optice al UA.

„Colegii noștri din domeniu ne spun că sunt destul de încrezători că dispozitivele pe care le-am proiectat pe computer pot fi construite cu caracteristicile pe care le vedem în simulările noastre.”

"Anticipăm că tensiunea termoelectrică folosind designul nostru va fi de aproximativ 100 de ori mai mare decât ceea ce au realizat alții în laborator", a adăugat Stafford.

Preluarea energiei pierdute prin căldura reziduală a fost pe lista dorințelor inginerilor de mult timp, dar, până acum, a lipsit un concept de înlocuire a dispozitivelor existente, care este atât mai eficient, cât și mai competitiv din punct de vedere economic.

Spre deosebire de dispozitivele de conversie a căldurii existente, cum ar fi frigiderele și turbinele cu abur, dispozitivele de la Bergfield și Stafford nu necesită mecanici și nici substanțe chimice care diminuează ozonul. În schimb, un polimer asemănător cauciucului între două metale care acționează ca electrozi poate face trucul.

Țevile de eșapament pentru mașini sau fabrici ar putea fi acoperite cu materialul, cu o grosime mai mică de 1 milionime de inch, pentru a recolta energia pierdută altfel ca căldură și pentru a genera electricitate.

Fizicienii profită de legile fizicii cuantice, un tărâm care nu este folosit în mod obișnuit atunci când proiectează tehnologia generatoare de energie. Pentru cei neinițiați, legile fizicii cuantice par să zboare în fața modului în care lucrurile sunt „presupuse” să se comporte.

Cheia tehnologiei constă într-o lege cuantică pe care fizicienii o numesc dualitatea undă-particulă: obiectele mici, cum ar fi electronii, se pot comporta fie ca undă, fie ca particulă.

"Într-un fel, un electron este ca o mașină sport roșie", a spus Bergfield. "Mașina sport este atât o mașină, cât și roșie, la fel cum electronul este atât o particulă, cât și o undă. Cele două sunt proprietăți ale aceluiași lucru. Electronii sunt doar mai puțin evidente pentru noi decât mașinile sport."

Bergfield și Stafford au descoperit potențialul de transformare a căldurii în electricitate atunci când au studiat eteri polifenilici, molecule care se agregă spontan în polimeri, lanțuri lungi de unități repetate. Coloana vertebrală a fiecărei molecule de eter polifenilic constă dintr-un lanț de inele de benzen, care la rândul lor sunt construite din atomi de carbon. Structura legăturii de lanț a fiecărei molecule acționează ca un „fir molecular” prin care pot călători electronii.

„Am lucrat amândoi cu aceste molecule înainte și ne-am gândit să le folosim pentru un dispozitiv termoelectric”, a spus Bergfield, „dar nu am găsit cu adevărat nimic special despre ele până când Michelle Solis, o studentă care a lucrat la un studiu independent în laborator, a descoperit că, iată, aceste lucruri aveau o caracteristică specială. "

Folosind simulări pe computer, Bergfield a „crescut” apoi o pădure de molecule intercalate între doi electrozi și a expus matricea la o sursă de căldură simulată.

„Pe măsură ce creșteți numărul de inele de benzen din fiecare moleculă, creșteți puterea generată”, a spus Bergfield.

Secretul capacității moleculelor de a transforma căldura în energie constă în structura lor: la fel ca apa care ajunge la o furculiță într-un râu, fluxul de electroni de-a lungul moleculei este împărțit în două odată ce întâlnește un inel benzenic, urmând un flux de electroni de-a lungul fiecărui braț al inelului.

Bergfield a proiectat circuitul inelului benzenic în așa fel încât într-o cale electronul este forțat să parcurgă o distanță mai mare în jurul inelului decât cealaltă. Acest lucru face ca cele două unde electronice să fie defazate odată ce se reunesc la atingerea părții îndepărtate a inelului benzenic. Când valurile se întâlnesc, ele se anulează reciproc într-un proces cunoscut sub numele de interferență cuantică. Când o diferență de temperatură este plasată în circuit, această întrerupere a fluxului de sarcină electrică duce la acumularea unui potențial electric - tensiune - între cei doi electrozi.

Interferența undelor este un concept exploatat de căștile care anulează zgomotul: undele sonore primite sunt întâlnite cu undele de contor generate de dispozitiv, ștergând zgomotul ofensator.

"Suntem primii care valorifică natura undelor electronului și dezvoltăm un concept care să-l transforme în energie utilizabilă", a spus Stafford.

Analog cu starea solidă față de memoria computerului de tip hard disk rotativ, dispozitivele termoelectrice proiectate de UA nu necesită piese în mișcare. Prin design, acestea sunt autonome, mai ușor de fabricat și mai ușor de întreținut în comparație cu tehnologia disponibilă în prezent.

„Ai putea lua doar o pereche de electrozi metalici și să-i pictezi cu un singur strat din aceste molecule”, a spus Bergfield. „Asta ți-ar oferi un mic sandviș care ar acționa ca dispozitivul tău termoelectric. Cu un dispozitiv în stare solidă nu ai nevoie de agenți de răcire, nu ai nevoie de transporturi de azot lichid și nu trebuie să faci multe întreținere. "

„Ați putea spune că, în loc de gaz Freon, folosim gaz de electroni”, a adăugat Stafford.

„Efectele pe care le vedem nu sunt unice pentru moleculele pe care le-am folosit în simularea noastră”, a spus Bergfield. "Orice dispozitiv cu scară cuantică în care aveți o anulare a încărcării electrice va face trucul, atâta timp cât există o diferență de temperatură. Cu cât diferența de temperatură este mai mare, cu atât puteți genera mai multă putere."

Dispozitivele termoelectrice moleculare ar putea ajuta la rezolvarea unei probleme care afectează în prezent celulele fotovoltaice care recoltează energie din lumina soarelui.

"Panourile solare se încălzesc foarte mult și eficiența lor scade", a spus Stafford. „Ați putea recolta o parte din această căldură și o puteți folosi pentru a genera electricitate suplimentară, răcind simultan panoul și eficientizând propriul proces fotovoltaic.”

„Cu un dispozitiv termoelectric foarte eficient bazat pe designul nostru, puteți alimenta aproximativ 200 de becuri de 100 de wați folosind căldura uzată a unui automobil”, a spus el. „Cu alte cuvinte, s-ar putea crește eficiența mașinii cu mult peste 25%, ceea ce ar fi ideal pentru un hibrid, deoarece folosește deja un motor electric.”

Așadar, data viitoare când urmăriți o mașină sport roșie care trece cu gândul, gândiți-vă la puterea ascunsă a electronului și la cât de eficient ar putea fi mașina sportivă cu un dispozitiv termoelectric înfășurat în jurul țevii sale de evacuare.

Finanțarea pentru această cercetare a fost asigurată de către departamentul de fizică al Universității din Arizona.