211service.com
Atkritumu siltuma pārvēršana par enerģiju
Silīcijs fotoelektrisko elementu veidā ir labs elektroenerģijas ražošanai no saules gaismas. Jauni pētījumi liecina, ka tas varētu būt arī labs termoelektrisks: materiāls, kas pārvērš siltumu elektroenerģijā un otrādi. Tā kā silīcijs ir daudz vairāk nekā vadošie termoelektriskie materiāli un tam ir plaša ražošanas infrastruktūra, tas galu galā varētu radīt lētas ierīces enerģijas ražošanai no dzinēju siltuma vai saules siltuma.
Foršs klients: Šis attēls, kas iegūts ar skenējošu elektronu mikroskopu, parāda raupju silīcija nanovadu, kas savieno divus sildīšanas paliktņus, no kuriem viens kalpo kā siltuma avots, bet otrs kā sensors. Pētnieki ir atklājuši, ka 50 nanometrus platiem silīcija nanovadiem ir krasi zemāka siltuma vadītspēja nekā lielapjoma silīcijam, taču tie saglabā savu elektrisko vadītspēju. Tādējādi nanovadi parāda potenciālu kā termoelektriski materiāli - tie, kas pārvērš siltumu elektroenerģijā un otrādi.
Šajā nedēļā Daba , Kalifornijas Universitāte, Bērklija, ķīmijas profesors Peidongs Jangs un viņa kolēģi ziņo, ka ir izgatavojuši silīcija nanovadus, kas rada elektrību, kad tiem tiek piemērota temperatūras atšķirība. Līdz šim silīcijs tika uzskatīts par sliktu termoelektrisko materiālu. Bet saskaņā ar Yang teikto, nanovadu veiktspēja jau ir salīdzināma ar labāko esošo termoelektrisko materiālu.
Termoelektriskās ierīces ir bijušas kopš 1960. gadu sākuma, un tās parasti ir izgatavotas no bismuta telurīda vai svina telurīda. Tos galvenokārt izmanto dzesēšanai: ja pāri termoelektriskam materiālam tiek pielikts spriegums, tas vienā pusē kļūst karstāks, bet otrā – vēsāks. Termoelektriskos dzesētājus populāri izmanto pārnēsājamos piknika dzesētājus un dzesēšanas automašīnu sēdekļus.
Taču vēl aizraujošāki pielietojumi ir energoefektivitātē un enerģijas ražošanā. Termoelektriķi varētu izmantot, lai automašīnu dzinēju radīto siltumenerģiju pārvērstu elektroenerģijā. Vēl pievilcīgāka ir ideja par termoelektriķu izmantošanu saules siltumā, lai radītu elektroenerģiju. Bet bismuta telurīds un svina telurīds nav pietiekami efektīvi, tāpēc no tiem izgatavotās ierīces ir dārgas, kā arī apjomīgas, jo tām ir nepieciešams vairāk materiālu.
Termoelektriķiem vajadzētu būt vismaz divreiz efektīvākiem nekā tagad, lai tos izmantotu lētai elektroenerģijas ražošanai, saka Mildred Dresselhaus , termoelektrikas pionieris un fizikas un elektrotehnikas profesors MIT. Viņa saka, ka nanomēroga struktūru izmantošana materiālu beztaras kristālu vietā var palielināt to efektivitāti. Nanostruktūras bloķē siltuma plūsmu, bet ļauj elektroniem viegli plūst. Taču bismuta telurīda apstrāde un nanostrukturēšana nav vienkārša.
No otras puses, silīciju ir daudz vieglāk apstrādāt, un tam ir liela apstrādes infrastruktūra, saka Jans. Silīcijam ir arī daudz zemākas izmaksas nekā bismuta telurīdam. Problēma ar silīciju ir tā, ka tas ir slikts termoelektrisks. Labam termoelektriskam ir jābūt divām lietām: labam elektrības vadītājam un sliktam siltuma vadītājam. Silīcijs ļoti labi vada gan siltumu, gan elektrību.
Jangs un viņa kolēģi samazināja silīcija siltumvadītspēju, izmantojot silīcija nanovadus. Viņi izgatavoja silīcija nanovadu masīvu, kuru diametrs ir no 20 līdz 300 nanometriem. Nanovadu sintēze bieži ietver nanodaļiņu sašķidrināšanu un tās augšanu līdzīgi kā matiņu. Bet tas rada nanovadus ar gludām virsmām. Ķīmiskās kodināšanas metode, ko Janga komanda izmanto, tā vietā rada nanovadus, kuriem ir raupja virsma. Pētnieki atklāja, ka vadi, kuru platums ir aptuveni 50 nanometri, saglabā elektrovadītspēju, bet tiem ir tikai viena simtā daļa no siltumvadītspējas. Tā rezultātā termoelektriskā efektivitāte ir tuvu dažu komerciālo bismuta telurīda materiālu efektivitātei.
Neviena pašreizējā teorija neizskaidro, kāpēc nanovadu siltumvadītspēja tik krasi samazinās. Viens no iemesliem, Jans uzskata, ir tas, ka gandrīz viendimensijas nanovadi un vadu raupjās malas bloķē fononu plūsmu, kas ir daļiņas, kas nes siltumu. Bet pilnīga aina paliek neskaidra.
Ali Šakouri , elektroinženieru profesors Kalifornijas Universitātē Santakrusā, saka, ka pētniekiem būs jāsaprot, kā darbojas fizika, lai viņi varētu pietiekami uzlabot tehnoloģiju, lai ražotu komerciālas ierīces. Turklāt nanovadu izmantošanai enerģijas pārveidošanai un elektroenerģijas ražošanai ir savi ierobežojumi, saka Shakouri. Šādiem lietojumiem ir nepieciešami lieli nanovadu masīvi, taču Daba papīrs, Yang un viņa kolēģi izmērīja atsevišķu nanovadu elektriskās īpašības. Pētniekiem būs jāpārliecinās, ka šīs īpašības izpaužas kā veseli nanovadu bloki, saka Shakouri: Nanovadu atšķirības un mijiedarbība varētu atņemt dažas priekšrocības.
Tomēr viņš saka, ka šis ir svarīgs darbs, kam varētu būt liela ietekme. Shakouri norāda ne tikai uz silīcija kā termoelektriska potenciāla demonstrāciju, bet arī uz unikālo inženieriju, ko pētnieki izmantoja neapstrādātu nanovadu izgatavošanai. Jaunais veids, kā spēlēt ar materiāla īpašībām, ir ļoti interesants, viņš saka. Tas varētu pavērt iespēju uzlabot termoelektriskos elementus, ko varētu izmantot citiem materiāliem.
Tikmēr Jans un viņa kolēģi jau domā par to, kā uzlabot savu nanovadu veiktspēju. Viņi plāno samazināt nanovadu izmēru un padarīt to virsmas raupjākas, nekā tās jau ir. Tam vajadzētu uzlabot to termoelektriskās īpašības, saka Yang. Pētnieki arī plāno izgatavot un pārbaudīt faktisku termoelektrisku ierīci, izmantojot silīcija nanovadus.