Mitä jos ilmastoinnin voisi hoitaa perinteisen sähkön sijaan auringon lämmöllä lämpimänä kesäpäivänä? Lämpösähköisen teknologian kehityksen myötä tämä kestävä ratkaisu saattaa jonain päivänä toteutua.
Lämpösähkölaitteet on valmistettu materiaaleista, jotka voivat muuttaa lämpötilaeron sähköksi ilman liikkuvia osia — ominaisuus, joka tekee lämpösähköstä potentiaalisesti houkuttelevan sähkönlähteen. Ilmiö on palautuva: jos sähköä käytetään lämpösähköiseen laitteeseen, se voi tuottaa lämpötilaeron. Nykyään lämpösähköisiä laitteita käytetään suhteellisen pienitehoisiin sovelluksiin, kuten pienten antureiden virroittamiseen öljyputkia pitkin, akkujen varmuuskopiointiin avaruusluotaimissa ja minifridgien jäähdyttämiseen.
tutkijat toivovat kuitenkin voivansa suunnitella tehokkaampia lämpösähköisiä laitteita, jotka hyödyntävät teollisten prosessien ja polttomoottoreiden sivutuotteena tuotettua lämpöä ja muuttavat muuten hukkaan heitetyn lämmön sähköksi. Lämpösähköisten laitteiden hyötysuhde eli niiden tuottaman energian määrä on kuitenkin tällä hetkellä rajallinen.
nyt mit: n tutkijat ovat keksineet keinon lisätä tuota tehokkuutta kolminkertaiseksi käyttämällä ”topologisia” materiaaleja, joilla on ainutlaatuisia elektronisia ominaisuuksia. Vaikka aikaisempi työ on ehdottanut, että topologiset materiaalit voivat toimia tehokkaina termosähköisinä järjestelminä, on ollut vähän ymmärrystä siitä, miten elektronit tällaisissa topologisissa materiaaleissa kulkisivat vastauksena lämpötilaeroihin, jotta saataisiin aikaan termosähköinen vaikutus.
tällä viikolla julkaistussa Proceedings of the National Academy of Sciences-lehdessä MIT: n tutkijat tunnistavat taustalla olevan ominaisuuden, joka tekee tietyistä topologisista materiaaleista potentiaalisesti tehokkaamman termosähköisen materiaalin verrattuna olemassa oleviin laitteisiin.
”olemme havainneet, että voimme työntää tämän nanorakenteisen materiaalin rajoja tavalla, joka tekee topologisista materiaaleista hyvän lämpösähköisen materiaalin, enemmän kuin perinteisistä puolijohteista, kuten piistä”, sanoo Te-Huan Liu, mit: n konetekniikan laitokselta. ”Loppujen lopuksi tämä voisi olla puhtaan energian tapa auttaa meitä käyttämään lämmönlähdettä sähkön tuottamiseen, mikä vähentää hiilidioksidipäästöjämme.”
Liu on PNAS-lehden ensimmäinen kirjoittaja, johon kuuluvat jatko-opiskelijat Jiawei Zhou, Zhiwei Ding ja Qichen Song; Mingda Li, apulaisprofessori Ydintieteen ja tekniikan laitoksella; entinen jatko-opiskelija Bolin Liao, nykyään apulaisprofessori Kalifornian yliopistossa Santa Barbarassa; Liang Fu, Biedenharn apulaisprofessori fysiikasta; ja Gang Chen, Söderbergin professori ja konetekniikan laitoksen johtaja.
vapaasti kuljettu polku
kun lämpösähköinen materiaali altistetaan lämpötilagradientille — esimerkiksi toinen pää lämmitetään ja toinen jäähdytetään — kyseisen materiaalin elektronit alkavat virrata kuumasta päästä kylmään, jolloin syntyy sähkövirta. Mitä suurempi lämpötilaero, sitä enemmän tuotetaan sähkövirtaa ja sitä enemmän syntyy virtaa. Syntyvän energian määrä riippuu tietyn materiaalin elektronien erityisistä kuljetusominaisuuksista.
tutkijat ovat havainneet, että joistakin topologisista materiaaleista voidaan tehdä tehokkaita lämpösähköisiä laitteita nanorakentamisen avulla, tekniikkaa, jolla tutkijat syntetisoivat materiaalia kuvioimalla sen ominaisuuksia nanometrien asteikolla. Tutkijat ovat ajatelleet, että topologisten materiaalien termosähköinen ETU tulee niiden nanorakenteiden heikentyneestä lämmönjohtavuudesta. On kuitenkin epäselvää, miten tämä tehostuminen liittyy materiaalin luontaisiin, topologisiin ominaisuuksiin.
yrittäessään vastata tähän kysymykseen Liu kollegoineen tutki tinatelluridin termosähköistä suorituskykyä, topologista materiaalia, jonka tiedetään olevan hyvä termosähköinen materiaali. Tinatelluridin elektroneilla on myös erikoisia ominaisuuksia, jotka jäljittelevät Diracin materiaaleina tunnettua topologisten materiaalien luokkaa.
ryhmä pyrki ymmärtämään nanorakenteiden vaikutusta tinatelluridin termosähköiseen suorituskykyyn simuloimalla elektronien kulkua materiaalin läpi. Elektroninsiirtoa luonnehtiessaan tiedemiehet käyttävät usein mittausta, jota kutsutaan ”keskimääräiseksi vapaaksi tieksi” eli sitä keskimääräistä matkaa, jonka tietyn energian omaava elektroni kulkisi vapaasti jonkin aineen sisällä, ennen kuin erilaiset esineet tai siinä olevat viat hajottaisivat sen.
Nanorakenteiset materiaalit muistuttavat pienten kiteiden muodostamaa tilkkutäkkiä, jossa jokaisessa on raerajoja, jotka erottavat yhden Kiteen toisistaan. Kun elektronit kohtaavat nämä rajat, niillä on taipumus hajaantua eri tavoin. Elektronit, joilla on pitkät keskimääräiset vapaat polut, hajaantuvat voimakkaasti, kuten luodit kimpoavat seinästä, kun taas elektronit, joilla on lyhyemmät keskimääräiset vapaat polut, vaikuttavat paljon vähemmän.
tutkijat havaitsivat simulaatioissaan, että tinatelluridin elektroniominaisuuksilla on merkittävä vaikutus niiden keskimääräisiin vapaisiin reitteihin. He piirtivät telluridin elektronienergioiden alueen suhteessa niihin liittyviin keskimääräisiin vapaisiin polkuihin, ja havaitsivat tuloksena olevan kuvaajan näyttävän hyvin erilaiselta kuin useimmissa tavanomaisissa puolijohteissa. Erityisesti tinatelluridin ja mahdollisesti muiden topologisten materiaalien osalta tulokset viittaavat siihen, että korkeamman energian elektroneilla on lyhyempi keskimääräinen vapaa polku, kun taas pienemmän energian elektroneilla on yleensä pidempi keskimääräinen vapaa polku.
tämän jälkeen ryhmä tarkasteli, miten nämä elektronien ominaisuudet vaikuttavat tinatelluridin termosähköiseen suorituskykyyn, lähinnä summaamalla eri energioilla ja keskimääräisillä vapailla reiteillä olevien elektronien termosähköiset osuudet. On käynyt ilmi, että materiaalin kyky johtaa sähköä eli tuottaa elektronivirtaa lämpötilagradientin alla riippuu pitkälti elektronien energiasta.
erityisesti he havaitsivat, että pienenergisillä elektroneilla on yleensä negatiivinen vaikutus jännite-eron ja siten sähkövirran syntyyn. Näillä matalaenergisillä elektroneilla on myös pidemmät keskimääräiset vapaat polut, eli ne voivat Sirota raerajojen kautta voimakkaammin kuin korkeaenergiset elektronit.
mitoitus pieneni
mentäessä simulaatioissaan askeleen pidemmälle ryhmä leikki tinatelluridin yksittäisten jyvästen koolla nähdäkseen, oliko tällä mitään vaikutusta elektronien virtaukseen lämpötilagradientissä. He havaitsivat, että kun he laskivat keskimääräisen jyvän halkaisijan noin 10 nanometriin ja lähensivät sen rajoja, he havaitsivat korkeaenergisten elektronien lisääntyvän.
toisin sanoen pienemmillä raekooilla suurenergiset elektronit vaikuttavat paljon enemmän materiaalin sähköiseen johtumiseen kuin pienenergiset elektronit, koska niillä on lyhyemmät keskimääräiset vapaat reitit ja ne hajoavat harvemmin raerajoja vasten. Tämä johtaa suurempaan jännite-eroon, joka voidaan luoda.
lisäksi tutkijat havaitsivat, että tinatelluridin keskimääräisen raekoon pienentäminen noin 10 nanometriin tuotti kolme kertaa enemmän sähköä kuin materiaali olisi tuottanut suuremmilla jyvillä.
Liu sanoo, että vaikka tulokset perustuvat simulaatioihin, tutkijat voivat saavuttaa samanlaisen suorituskyvyn syntetisoimalla tinatelluridia ja muita topologisia materiaaleja ja säätämällä niiden raekokoa nanorakentamistekniikalla. Toiset tutkijat ovat esittäneet, että materiaalin raekoon kutistaminen voisi lisätä sen lämpösähköisyyttä, mutta Liu sanoo, että he ovat enimmäkseen olettaneet, että ihanteellinen koko olisi paljon suurempi kuin 10 nanometriä.
”simulaatioissa huomasimme, että pystymme kutistamaan topologisen materiaalin raekokoa paljon enemmän kuin aiemmin on ajateltu, ja tämän konseptin pohjalta voimme lisätä sen tehokkuutta”, Liu sanoo.
Tinatelluridi on vain yksi esimerkki monista topologisista materiaaleista, joita ei ole vielä tutkittu. Jos tutkijat pystyvät määrittämään kullekin materiaalille ihanteellisen raekoon, Liun mukaan topologiset materiaalit voivat pian olla elinkelpoinen ja tehokkaampi vaihtoehto puhtaan energian tuottamiseen.
”mielestäni topologiset materiaalit ovat erittäin hyviä termosähköisille materiaaleille, ja tuloksemme osoittavat, että tämä on erittäin lupaava materiaali tuleviin sovelluksiin”, Liu sanoo.
tätä tutkimusta tukivat osittain Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center, Yhdysvaltain energiaministeriön Energy Frontier Research Center ja Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).