Mi lenne, ha tudna futni a légkondícionáló nem hagyományos villamos, de a nap melege alatt egy meleg nyári napon? A termoelektromos technológia fejlődésével ez a fenntartható megoldás egy nap valósággá válhat.
a termoelektromos eszközök olyan anyagokból készülnek, amelyek a hőmérsékletkülönbséget villamos energiává alakíthatják, anélkül, hogy mozgó alkatrészeket igényelnének — olyan minőség, amely a termoelektrikákat potenciálisan vonzó villamosenergia-forrássá teszi. A jelenség reverzibilis: ha villamos energiát alkalmaznak egy termoelektromos eszközre, akkor hőmérsékletkülönbséget okozhat. Manapság a termoelektromos eszközöket viszonylag kis teljesítményű alkalmazásokhoz használják, például kis érzékelők táplálására olajvezetékek mentén, akkumulátorok biztonsági mentésére az űrszondákon, valamint hűtési minifridges.
de a tudósok azt remélik, hogy erősebb termoelektromos eszközöket terveznek, amelyek az ipari folyamatok és a belső égésű motorok melléktermékeként előállított hőt termelik le — és az egyébként pazarolt hőt villamos energiává alakítják. A termoelektromos eszközök hatékonysága vagy az általuk termelt energia mennyisége azonban jelenleg korlátozott.
most az MIT kutatói felfedezték a hatékonyság háromszorosának növelését, “topológiai” anyagok felhasználásával, amelyek egyedi elektronikus tulajdonságokkal rendelkeznek. Míg az elmúlt munka azt javasolta, hogy a topológiai anyagok szolgálhatnak hatékony termoelektromos rendszerek, ott már kevéssé értik, hogy hogyan elektronok olyan topológiai anyagok utazási válaszul hőmérséklet-különbség annak érdekében, hogy készítsen egy termoelektromos hatás.
a Nemzeti Tudományos Akadémia folyóiratában ezen a héten közzétett tanulmányban az MIT kutatói azonosítják azokat a mögöttes tulajdonságokat, amelyek bizonyos topológiai anyagokat potenciálisan hatékonyabb termoelektromos anyaggá teszik a meglévő eszközökhöz képest.
“azt találtuk, hogy ennek a nanostrukturált anyagnak a határait úgy tudjuk tolni, hogy a topológiai anyagok jó termoelektromos anyaggá váljanak,sokkal inkább, mint a hagyományos félvezetők, mint a szilícium” – mondja Te-Huan Liu, az MIT gépészeti Tanszékének posztdoktora. “Végül ez lehet egy tiszta energia módja annak, hogy segítsen nekünk hőforrást használni a villamos energia előállításához, ami csökkenti a szén-dioxid felszabadulását.”
Liu első szerzője a PNAS papír, amely magában foglalja a végzős hallgatók Jiawei Zhou, Zhiwei Ding, és Qichen Song; Mingda Li, adjunktus a Department of Nuclear Science and Engineering; volt végzős hallgató Bolin Liao, most adjunktus a University of California, Santa Barbara; Liang Fu, a Biedenharn docense fizika; Gang Chen, a Soderberg professzor és a Gépészmérnöki Tanszék vezetője.
Egy utat szabadon utazott
Ha egy termoelektromos anyag kitéve hőmérséklet gradiens — például, egyik végén fűtött, míg a másik hűtött — elektronok az anyag kezd folyni, a forró vége a hideg, vége, így az elektromos áram. Minél nagyobb a hőmérsékletkülönbség, annál több elektromos áram keletkezik, annál több energiát generálnak. A létrehozható energia mennyisége az elektronok adott anyagban lévő szállítási tulajdonságaitól függ.
A tudósok megfigyelték, hogy egyes topológiai anyagok nanostrukturálással hatékony termoelektromos eszközökké válhatnak, ezt a technikát a tudósok az anyag szintetizálására használják azáltal, hogy jellemzői nanométeres skálán vannak. A tudósok úgy gondolták, hogy a topológiai anyagok termoelektromos előnye a nanoszerkezetek csökkentett hővezetőképességéből származik. De nem világos, hogy ez a hatékonyságnövelés hogyan kapcsolódik az anyag inherens, topológiai tulajdonságaihoz.
a kérdés megválaszolásához Liu és kollégái tanulmányozták az ón-tellurid termoelektromos teljesítményét, egy olyan topológiai anyagot, amelyről ismert, hogy jó termoelektromos anyag. Az ón-telluridban lévő elektronok sajátos tulajdonságokkal is rendelkeznek, amelyek utánozzák a Dirac anyagok néven ismert topológiai anyagok osztályát.
a csapat célja, hogy megértse a nanostrukturálás hatását az ón tellurid termoelektromos teljesítményére, szimulálva az elektronok anyagon keresztüli mozgását. Az elektronszállítás jellemzésére a tudósok gyakran használnak egy “átlagos szabad út” nevű mérést, vagy azt az átlagos távolságot, amelyet egy adott energiával rendelkező elektron szabadon utazna egy anyagon belül, mielőtt az anyag különböző tárgyai vagy hibái szétszóródnának.
A Nanostrukturált anyagok apró kristályok patchwork-jára hasonlítanak, mindegyik határokkal, úgynevezett szemcsehatárokkal, amelyek elválasztják az egyik kristályt a másiktól. Amikor az elektronok találkoznak ezekkel a határokkal, különböző módon szétszóródnak. A hosszú, átlagos szabad ösvényekkel rendelkező elektronok erősen szétszóródnak, mint például a falról Gellert kapó golyók, míg a rövidebb átlagos szabad ösvényekkel rendelkező elektronok sokkal kevésbé érintettek.
szimulációikban a kutatók azt találták, hogy az ón-tellurid elektronjellemzői jelentős hatással vannak átlagos szabad útjukra. Az ón-tellurid elektronenergia-tartományát ábrázolták a kapcsolódó átlagos szabad útvonalakkal szemben, és úgy találták, hogy a kapott grafikon nagyon különbözött a legtöbb hagyományos félvezetőnél. Pontosabban, az ón-tellurid és esetleg más topológiai anyagok esetében az eredmények azt sugallják, hogy a magasabb energiájú elektronok rövidebb átlagos szabad utat mutatnak, míg az alacsonyabb energiájú elektronok általában hosszabb átlagos szabad utat tartalmaznak.
a csapat ezután megvizsgálta, hogy ezek az elektrontulajdonságok hogyan befolyásolják a tin telluride termoelektromos teljesítményét, lényegében összegezve a különböző energiájú elektronok termoelektromos hozzájárulásait és a szabad utak átlagát. Kiderül, hogy az anyag képes villamos energiát vezetni, vagy elektronok áramlását generálni hőmérséklet-gradiens alatt, nagymértékben függ az elektronenergiától.
konkrétan azt találták, hogy az alacsonyabb energiájú elektronok általában negatív hatással vannak a feszültségkülönbség, ezért az elektromos áram generálására. Ezeknek az alacsony energiájú elektronoknak hosszabb átlagos szabad útjuk is van, ami azt jelenti, hogy a szemcsehatárok intenzívebben szétszórhatók, mint a magasabb energiájú elektronok.
méretezés
egy lépéssel tovább haladva szimulációikban a csapat az tin telluride egyes szemcséinek méretével játszott, hogy megnézze, vajon ez hatással volt-e az elektronok áramlására hőmérséklet-gradiens alatt. Azt találták, hogy amikor egy átlagos gabona átmérőjét körülbelül 10 nanométerre csökkentették, közelebb hozva határait, megfigyelték a nagyobb energiájú elektronok fokozott hozzájárulását.
Ez a kisebb szemcseméretű, nagyobb energiájú elektronok hozzájárulnak ahhoz, hogy sokkal több az anyag, elektromos vezetés, mint az alacsonyabb energiájú elektronok, mint rövidebb ingyen utak, valamint kevésbé valószínű, hogy a scatter ellen gabona határokat. Ez nagyobb feszültségkülönbséget eredményez, amely generálható.
Mi több, a kutatók azt találták, hogy a csökkenő tin-tellurid átlagos szemcseméret 10 nanométer előállított háromszor villamos energia mennyiségét, hogy az anyagot eredményezett volna, a nagyobb szemcsék.
Liu azt mondja, hogy míg az eredmények szimulációkon alapulnak, a kutatók hasonló teljesítményt érhetnek el az ón-tellurid és más topológiai anyagok szintetizálásával, valamint a szemcseméret nanostrukturálási technikával történő beállításával. Más kutatók azt sugallták, hogy az anyag szemcseméretének zsugorítása növelheti termoelektromos teljesítményét, de Liu szerint többnyire azt feltételezték, hogy az ideális méret sokkal nagyobb, mint 10 nanométer.
“szimulációinkban azt találtuk, hogy egy topológiai anyag szemcseméretét sokkal jobban tudjuk zsugorítani, mint azt korábban gondoltuk, és ezen koncepció alapján növelhetjük annak hatékonyságát” – mondja Liu.
az ón-tellurid csak egy példa sok olyan topológiai anyagra, amelyet még meg kell vizsgálni. Ha a kutatók meg tudják határozni az egyes anyagok ideális szemcseméretét, Liu szerint a topológiai anyagok hamarosan életképes, hatékonyabb alternatíva lehet A tiszta energia előállításához.
“úgy gondolom, hogy a topológiai anyagok nagyon jók a termoelektromos anyagok számára, és eredményeink azt mutatják, hogy ez egy nagyon ígéretes anyag a jövőbeli alkalmazásokhoz” – mondja Liu.
ezt a kutatást részben a Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center, Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Energy Frontier Research Center; valamint a Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) támogatta.