فناوری نانو در تبدیل انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی

بتازگی دانشمندان دانشگاه کلرادو موفق شدند با روشی خلاقانه باعث توسعه مواد ترموالکتریک شوند. این کشف به بهبود و توسعه پانل‌های خورشیدی، افزایش بازده انرژی تجهیزات خنک‌کننده و همچنین تولید دستگاه‌های جدیدی منجر می‌شود که به کمک آنها حجم بسیاری از انژی اتلافی نیروگاه‌ها به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

کد خبر: ۶۶۹۷۸۶

به گفته محققان ایده قرار دادن تعدادی ستون کوچک در بالای یک صفحه ترموالکتریک به طور کامل مشکل چند ساله را حل می‌کند. اثر ترموالکتریک که اولین بار در سال 1800 کشف شد به قابلیت تولید جریان الکتریسیته حاصل از تفاوت دما در دو سوی یک ماده اشاره می‌کند. اعمال یک ولتاژ الکتریکی به یک ماده ترموالکتریک باعث گرم شدن سمتی از ماده می‌شود، در حالی که سمت دیگر سرد می‌ماند یا سمتی سردتر می‌شود، در صورتی که طرف دیگر گرم می‌ماند. دستگاه‌هایی که دارای مواد ترمودینامیک هستند در هر دو روش قابل استفاده هستند: برای تولید جریان الکتریسیته از منبع گرمایشی مانند خورشید یا سرد کردن وسایل با استفاده از جریان الکتریسیته.

با این حال طی دهه‌های گذشته به دلیل وجود مشکلی اساسی در استفاده گسترده از مواد ترموالکتریک موانعی بر سر راه صنعتگران وجود داشت در موادی که رسانای جریان الکتریسیته هستند، گرما نیز عبور می‌کند. این به آن معنی است که همزمان با اختلاف دما، پتانسیل الکتریکی هم ایجاد می‌شود. اختلاف دما باعث از هم پاشیدن می‌شود و جریان تولید شده را ضعیف می‌کند. تا پیش از دهه 90 میلادی، دانشمندان با استفاده از موادی که جریان الکتریکی در آنها راحت‌تر از گرما جریان دارد با این مشکل مقابله کردند. تا 20 سال گذشته دانشمندان به دنبال خواص شیمیایی مواد بودند و پس از کشف فناوری نانو توانستند موادی تولید کنند که دارای خواص مورد نظر آنها باشد.

با استفاده از فناوری نانو فیزیک مواد موانعی در مواد ترموالکتریک ایجاد کرد، مانند ذراتی که مانع جریان سریع‌تر گرما نسبت به الکتریسیته می‌شوند. حتی با وجود بهترین شرایط باز هم جریان الکترون‌ها که حامل انرژی الکتریکی هستند کند شد. در تحقیقات اخیر دانشمندان نشان دادند می‌توان از فناوری نانو به روشی کاملا متفاوت استفاده کرد که بدون تاثیر در حرکت الکترون‌ها باعث کاهش سرعت جابه‌جایی گرما شود. در این روش جدید، ستون‌های مقیاس نانو را روی صفحه‌ای ترموالکتریک مانند سیلیکون که فرامواد نانوفونون می‌نامند قرار می‌دهند.

گرما به شکل یکسری ارتعاشات معروف به فونون در این صفحه حرکت می‌کند. اتم‌های تشکیل‌دهنده این ستون‌ها با فرکانس‌های متفاوت مرتعش می‌شوند. دانشمندان با یک مدل کامپیوتری ارتباط ارتعاشات ستون‌ها و فونون‌ها و کاهش سرعت جریان گرما را نشان دادند. ارتعاش ستون‌ها روی جریان الکتریسیته تاثیری نمی‌گذارد. طبق محاسبات دانشمندان، ستون‌های مقیاس نانو سرعت جریان گرما را به نصف کاهش می‌دهند، اما این محاسبات بسیار محافظه‌کارانه بوده و میزان کاهش بیش از این خواهد بود.

محققان عنوان می‌کنند در صورت بهبود تبدیل انرژی ترموالکتریک می‌توان از این روش استفاده بهینه‌ای شامل پس‌گیری گرمای خروجی دستگاه‌هایی مانند لپ‌تاپ به ماشین یا نیروگاه‌ها کرد. مواد ترموالکتریک بهتر می‌توانند به طور گسترده بازده پانل‌های خورشیدی و دستگاه‌های خنک‌کننده را بهبود بخشند. گام بعدی محققان، همکاری با دانشمندان دانشکده فیزیک و ساخت ستون‌های نانو و آزمایش آن در آزمایشگاه است.