ركورد تبديل حرارت به برق با استفاده از بي‌نظمي شكست!

[yasaman hedayati]

محققان دانشگاه نورث‌وسترن در دستاوردي جديد توانسته‌اند ركورد تبديل حرارت به برق را در يك ماده بي‌نظم بشكنند.



به گزارش سرويس علمي خبرگزاري دانشجويان ايران(ايسنا)، اين فناوري كه در مجله نيچر منتشر شده، نشان داده كه بي‌نظمي مي‌تواند در ايجاد يك نسل جديد از فناوريهاي جمع‌آوري انرژي نقش اساسي ايجاد كند.



دارندگان لپ‌تاپ و مكانيكهاي خودور مي دانند كه حرارت يك محصول جانبي اصلي در هر كار است. براي مثال در ايستگاههاي توليد برق، تنها يك سوم انرژي وارد شده به ژنراتور به برق تبديل شده و مابقي به شكل حرارت زائد پيش از چرخاندن توربين منتشر مي‌شود.





براي دهه‌هاي متوالي فيزكدانان از راههاي مختلف براي تبديل مستقيم حرارت به برق استفاده كرده‌اند. مواد موسوم به ترموالكتريك از تفاوتهاي دما براي هدايت الكترونها از يك سمت به سمت ديگر استفاده مي‌كنند. اين الكترونهاي جابجا شده يك ولتاژ ايجاد مي‌كنند كه مي‌تواند براي نيرو دادن به ديگر چيزها مانند يك پيل مورد استفاده قرار بگيرد.


چنين موادي از كاربردهاي زيادي برخوردار بوده و براي مثال در كاوشگر كنجكاوي نيز كه در سطح مريخ حركت مي‌كند، از اين دستگاههاي ترموالكتريك براي تبديل حرارت نيروي پلوتونيوم به برق استفاده مي‌شود.


اگرچه اين دستگاهها براي استفاده در همه‌جا به اندازه كافي كارآمد نبوده و فناوريهاي موجود تنها مي‌توانند پنج تا هفت درصد از انرژي حرارتي را به برق تبديل كنند كه بسيار كمتر از بازده تبديل فناوريهايي مانند صفحات خورشيدي است.


ساخت يك دستگاه ترموالكتريكي بهتر به كشف موادي بستگي دارد كه تنها رساناي برق بوده و حرارت را منتقل نمي‌كنند. به گفته محققان براي دستيابي به اين نتيجه بايد بي‌نظمي را به ساختار مواد معرفي كرد.


اين محققان از ترموالكتريك مشهور تلورید سرب استفاده كردند كه معمولا از يك ساختار شبکه اي منظم برخوردار است. آنها چند اتم سديم را درون اين ماده وارد كردند تا رسانايي آن افزايش يابد. سپس چند نانوبلور تلوريد استرانسیوم را كه يك ماده ترموالكتريك شناخته شده ديگر است، درون تركيب اوليه وارد كردند. اين بلورها به الكترونها اجازه عبور داده اما جريان حرارت را در مقياس كوچك مختل كرده و شيب دما را حفظ مي‌كنند.


گام نهايي اين پژوهش، توقف جريان دما در مقياسهاي بزرگتر بود. براي اين كار اين محققان يك نسخه منكسر از بلورهاي ترموالكتريكي خود ساختند. اين انكسار باعث دستيابي به نتيجه دلخواه شد. شكافها به الكترونها اجازه حركت داده اما ارتعاشات حرارت را در بلور منعكس كردند. اين ماده از يك بازده تغيير 15 درصدي برخوردار بوده كه دوبرابر ترموالكتريكهاي تلوريد سرب است.


هر چند اين ماده هنوز آماده ورود به فناوريهايي مانند مريخ‌نوردهاي بعدي ناسا نيست چرا كه سديم مورد استفاده براي حركت دادن الكترونها بسيار انفعالي بوده و مي‌تواند ماده را از بين ببرد بويژه اگر در امتداد شكستگيهاي طراحي‌شده براي توقف جريان حرارت تجمع كند.