Νέο υλικό καταρρίπτει το ρεκόρ στην παραγωγή ηλεκτρισμού από θερμότητα

Το νέο θερμοηλεκτρικό υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε υβριδικά αυτοκίνητα, σε εργοστάσια και πλοία...

Τα δύο τρίτα της ενέργειας που καταναλώνει ο άνθρωπος, από τη βενζίνη που καίνε τα αυτοκίνητα μέχρι το ηλεκτρικό ρεύμα που ξοδεύουμε για φωτισμό, χάνεται τελικά στο περιβάλλον υπό τη μορφή θερμότητας. Τώρα, ένα νέο υλικό που μετατρέπει τη ζέστη σε ηλεκτρικό ρεύμα υπόσχεται να μετριάσει σημαντικά τις σπατάλες ενέργειας.

Το νέο υλικό, αποτελούμενό κυρίως από μόλυβδο και τελλούριο, είναι μια παραλλαγή του υλικού που κρύβεται στη θερμοηλεκτρική γεννήτρια του ρομπότ Opportunity στον Άρη.. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στα αυτοκίνητα, όπου θα μπορούσε να μετατρέπει τη θερμότητα σε ηλεκτρικό ρεύμα για τη φόρτιση της μπαταρίας σε υβριδικά μοντέλα. Θα μπορούσε επίσης να αξιοποιηθεί σε ενεργοβόρες βιομηχανίες, ακόμα και σε κινητήρες εσωτερικών καύσεων που παραμένουν συνεχώς σε λειτουργία, όπως οι κινητήρες των πλοίων.

Τα θερμοηλεκτρικά υλικά είναι γνωστά εδώ και χρόνια, μέχρι σήμερα όμως η απόδοσή τους ήταν υπερβολικά μικρή για να μπορούν να αξιοποιηθούν σε εμπορική κλίμακα.

Χάρη στις ηλεκτρικές τους ιδιότητες και την ιδιαίτερη μικροσκοπική δομή τους, τα υλικά αυτά μετατρέπουν τη διαφορά θερμοκρασίας σε ροή ηλεκτρονίων, δηλαδή σε ηλεκτρικό ρεύμα: όταν η μία άκρη του υλικού είναι θερμότερη από την άλλη δημιουργείται ανάμεσά τους μια διαφορά τάσης, όπως συμβαίνει και στους πόλους μιας μπαταρίας.

Στο εσωτερικό οποιουδήποτε στερεού υλικού, η θερμότητα μπορεί να θεωρηθεί ως μικροσκοπικές κβαντικές ταλαντώσεις των ατόμων, τις οποίες οι φυσικοί ονομάζουν «φωνόνια». Όπως τα κύματα του ήχου ή τα κύματα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, καθένα από τα φωνόνια αυτά έχει το δικό του μήκος κύματος.

Η υψηλή αποδοτικότητα του νέου υλικού, αναφέρουν στο βρετανικό περιοδικό Nature οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Northwestern στο Ίλινοϊ, οφείλεται στο γεγονός ότι αξιοποιεί τις ταλαντώσεις σε πολλά μήκη κύματος: μικρά, μεσαία και μεγάλα.

Στο εσωτερικό του υλικού, μικροσκοπικοί κόκκοι του στοιχείου τελλούριου απορροφούν ενέργεια από φωνόνια με μήκος κύματος μερικές εκατοντάδες ή χιλιάδες νανόμετρα (δισεκατομμυριοστά του μέτρου. Μικροσκοπικά σωματίδια τελλουριούχου στροντίου απορροφούν φωνόνια μέσου μήκους κύματος, ενώ ακόμα μικρότερα μήκη κύματος απορροφώνται από ίχνη νατρίου που ενσωματώθηκαν στους κρυστάλλους του υλικού.

Η προσεκτική ρύθμιση της εσωτερικής δομής του υλικού επέτρεψε στους ερευνητές να αυξήσουν την απόδοσή τους στο 15 με 20 τοις εκατό, συγκρίσιμη με την απόδοση των σημερινών φωτοβολταϊκών συστημάτων.

«Στο επίπεδο αυτό, υπάρχουν ρεαλιστικές προοπτικές για την ανάκτηση της χαμένης θερμότητας και τη μετατροπή της σε χρήσιμη ενέργεια» εκτιμά ο Μέρκιουρι Κανατζίδης, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας.

Συγκριτικά, η θερμοηλεκτρική γεννήτρια του Curiosity, η οποία παράγει ηλεκτρική ενέργεια από τη θερμότητα που παράγεται από τη διάσπαση μιας ποσότητας πλουτωνίου, έχει τη μισή απόδοση σε σχέση με το νέο υλικό.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, η θερμοηλεκτική τεχνολογία επιδέχεται ακόμα σημαντικών βελτιώσεων, όχι όμως επ΄αόριστον: ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής προβλέπει ότι είναι αδύνατο να κατασκευαστεί μια μηχανή που λειτουργεί χωρίς να αποβάλλει έστω και λίγη θερμότητα.

 Πηγή: M.Kanatzidis/Northwestern University