Tyrėjai sukūrė naują medžiagą, galinčią automobilių variklių skleidžiamą šilumą paversti elektros energija.
Savo atradimą mokslininkai aprašo žurnale „Science“. Šios medžiagos efektyvumas dvigubai didesnis už bet kurios panašios šiuo metu siūlomos rinkoje.
Pasak projekto vadovo Josepho Heremanso iš Ohajo universiteto (JAV), tą pačią technologiją galima pritaikyti elektros energijos generatoriams bei šilumos siurbliams gaminti.
Tokios medžiagos yra vadinamos termoelektrinėmis, o jų efektyvumas yra įvertinamas nustačius, kiek esant tam tikrai temperatūrai šilumos galima paversti elektros energija.
Iki tol prekyboje pasirodžiusi didžiausio efektyvumo koeficiento medžiaga – švino telūrido lydinys, legiruotas natriu. Jo efektyvumas įvertintas 0,71. Naujoji medžiaga – švino telūridas, legiruotas taliu – yra daugiau nei du kartus pranašesnė: jos efektyvumas yra 1,5.
Pasak J. Heremanso, labai svarbu ir tai, kad ši medžiaga efektyviausiai veikia esant 230-510 laipsnių Celcijaus temperatūrai.
Kai kurie ekspertai teigia, kad tik apie 25 proc. įprastinio benzininio variklio pagaminamos energijos yra panaudojama automobiliui varyti, beveik 60 proc. išsklaidoma į aplinką kaip nereikalinga šiluma.
Termoelektrinis įrenginys dalį šilumos galėtų surinkti. Jis yra ganėtinai paprastos konstrukcijos: neturi judančių dalių, kurios galėtų susidėvėti ar sulūžti.
„Visą darbą padaro medžiaga. Ji gamina elektros energiją kaip įprastiniai šiluminiai varikliai (garo, benzininiai ar dyzeliniai), sujungti su elektros generatoriais, tačiau darbinių skysčių ar dujų vietą užima elektronai, tiesiogiai sukuriantys elektros srovę“, – teigia J. Heremansas.
„Termoelektrikai yra labai maži. Galima sakyti, termoelektriniai keitikliai prieš kitus šiluminius variklius atrodo kaip tranzistoriai prieš vakuumines lempas“, – toliau pasakoja mokslininkas.
Tam, kad termoelektrinės medžiagos sukuriama elektros srovė būtų maksimali, reikėtų pabandyti apriboti nesurenkamą šilumos kiekį. Taigi įprastinė strategija – sumažinti medžiagos šiluminį laidumą.
Laboratorijoje J. Heremansas medžiagos šiluminį laidumą pabandė sumažinti mažytėmis nanovielomis. Tačiau tokios nanosandaros medžiagos nėra labai stabilios, be to, jas sunku gaminti dideliais kiekiais ir kebloka sujungti su įprastinėmis elektrinėmis grandinėmis bei išoriniais šilumos šaltiniais.
Mokslininkas su kolegomis nusprendė imtis kitokios strategijos: nanostruktūras paliko ramybėje ir didžiausią dėmesį skyrė klausimui, kaip elektros energija paversti maksimalų savaime į medžiagos vidų patekusios šilumos kiekį. Tam prireikė prisiminti šiek tiek kvantinės mechanikos.
J. Heremansas pervertė 2006 m. „Physics Review Letters“ žurnale išspausdintą straipsnį, kuriame buvo pasiūlyta idėja, jog tokių elementų kaip talis ar telūras sąveiką galima aprašyti kvantine mechanika, pagal kurią, priklausomai nuo atomų tarpusavio ryšių, susidarytų rezonansas tarp talio ir švino telūrido termoelektrinės medžiagos elektronų.
„Talio atomo elektronai ima keistokai elgtis, kai jų kaimynais tampa telūro atomai. Mes dešimt metų ne itin sėkmingai tokį elgesį bandėme išgauti naudodami įvairias nanostruktūras. Kai pamačiau šį straipsnį, supratau, kad mes tą patį galime padaryti su normalaus dydžio puslaidininkiu“, – sako J. Heremansas.
Mokslininkas naująją medžiagą sukūrė kartu su doktorantu Vladimiru Jovovicu. Jie įrodė, kad jų pasiūlytas fizikinis mechanizmas iš tikrųjų veikia.
J. Heremanso komanda toliau tęsia pradėtus tyrimus. „Tikimės pasiekti dar daugiau. Manau, pritaikius kitas nanotechnologijų idėjas visai įmanoma efektyvumo koeficientą dar kartą padvigubinti. To dabar ir siekiame“, – optimistiškai į ateitį žvelgia mokslininkas.
