Revolucija u energetskoj efikasnosti: Nova tehnologija pretvara otpadnu toplotu u električnu energiju

Novi napredak u oblasti termoelektričnih uređaja mogao bi značajno da poboljša energetsku efikasnost u industriji i svakodnevnom životu. Tim istraživača sa Tokijskog univerziteta uspeo je da pokaže kako materijal volfram disilicid (WSi2) može efikasno da pretvori otpadnu toplotu u električnu energiju. Ovaj proboj bi mogao da donese revoluciju u upotrebi otpada toplote, omogućavajući veću energetske efikasnost u različitim industrijskim aplikacijama, kao i da unapredi održivost u tehnologijama koje zavise od termalne energije, piše SciTech Daily.

Termoelektrični materijali, koji pretvaraju toplotu u električnu energiju, već igraju ključnu ulogu u industrijama i vozilima gde motori proizvode značajne količine otpadne toplote. Ovi materijali omogućavaju efikasno iskorišćavanje te toplote, što doprinosi povećanju energetske efikasnosti i generaciji dodatne električne energije. Takvi uređaji su korisni ne samo za industrijske primene, već i za prenosive uređaje poput senzora i satelita, gde tradicionalni izvori energije nisu uvek mogući.

Preporučujemo

Uobičajeni termoelektrični uređaji, poznati kao paralelni termoelektrični uređaji, generišu napon u istom pravcu kao i tok toplote, koristeći p-tip i n-tip materijale koji proizvode napone u suprotnim pravcima. Kada su povezani u seriji, ovi uređaji stvaraju jači napon, ali ovo povećava broj kontaktnih tačaka, što rezultira višim električnim otporima i gubicima energije. S druge strane, poprečni termoelektrični uređaji proizvode energiju u pravcu koji je perpendikularan na tok toplote, što omogućava efikasniji prenos energije uz manje gubitaka.

Istraživači su se fokusirali na materijale koji pokazuju „oslonac zavistan od osovine“, poznate kao goniopolarni provodnici. Ovi materijali vode pozitivne čestice (p-tip) u jednom pravcu i negativne čestice (n-tip) u drugom, čime omogućavaju poprečni termoelektrični efekat (TTE). Međutim, ovaj efekat do sada nije bio dovoljno istražen. Tim iz Japana, predvođen profesorom Rijudžijem Okazakijem sa Tokijskog univerziteta nauke, uspeo je da direktno demonstrira TTE u metaloidu volfram disilicidu (WSi2), materijalu koji je prethodno pokazivao goniopolarne osobine, ali nije bio povezivan sa TTE efektom.

Njihovo istraživanje, objavljeno u časopisu PRX Energy, otkriva da WSi2 poseduje jedinstvenu elektronsku strukturu sa mešovitim dimenzionalnim Fermijevim površinama. Ove površine omogućavaju da elektroni i rupe (pozitivno naelektrisane čestice) postoje u različitim dimenzijama, što stvara uslove za usmerenu provodljivost u različitim pravcima, ključnu za poprečni termoelektrični efekat. Korišćenjem fizičkih eksperimenata i računarskih simulacija, istraživači su utvrdili da ove specifičnosti omogućavaju WSi2 da generiše napon pod pravim uglom u odnosu na toplotu, čime omogućava efikasniji prenos energije.

Simulacije zasnovane na prvim principima, koje se koriste u ovom istraživanju, omogućavaju istraživačima da modeliraju ponašanje materijala bez potrebe za eksperimentima. Ove simulacije pomažu u razumevanju kako se nosioci naelektrisanja (elektroni i rupe) ponašaju u različitim uslovima, uključujući interakcije sa imperfekcijama u kristalnoj strukturi materijala. Razumevanje ovih varijacija ključno je za optimizaciju materijala i razvoj pouzdane i stabilne tehnologije termoelektričnih uređaja.

Ovaj napredak u istraživanju nije samo značajan u laboratoriji, već otvara široke mogućnosti za industrijsku primenu. Jedan od najvažnijih sektora koji bi mogao imati koristi od ovog otkrića je automobilska industrija. Moderni motori proizvode velike količine otpadne toplote, koja se obično gubi. Uvođenjem termoelektričnih uređaja zasnovanih na WSi2, moglo bi se iskoristiti ova toplotna energija za generisanje električne energije, što bi povećalo efikasnost vozila i smanjilo potrošnju goriva.

Pored toga, energetska postrojenja i industrije koje se oslanjaju na fosilna goriva ili obnovljive izvore mogu koristiti ovu tehnologiju kako bi povećali efikasnost sistema, smanjujući emisije ugljen-dioksida i druge štetne gasove. Efikasnije korišćenje otpada toplote može smanjiti potrebu za dodatnim izvorima energije, što čini ovu tehnologiju ključnom u procesu prelaska na održivije energetske sisteme.

Iako je istraživanje u početnoj fazi, otkriće ovih novih termoelektričnih materijala kao što je WSi2 otvara vrata za razvoj naprednih sistema koji mogu efikasno pretvarati toplotu u električnu energiju, što je ključno za smanjenje globalnih emisija gasova koji izazivaju efekat staklene bašte. Na duže staze, ovo istraživanje može značiti značajnu pomoć u borbi protiv klimatskih promena, čineći energetske sisteme efikasnijim i ekološki prihvatljivijim.

(Telegraf Nauka / SciTech Daily)