Nový materiál překonal světový rekord v přeměně tepla na elektřinu

Nový typ materiálu velmi účinně generuje elektrický proud z teplotních rozdílů. Díky tomu se mohou senzory a malé procesory zásobovat energií bezdrátově.

Termoelektrické materiály dokáží přeměnit teplo na elektrickou energii. Děje se tak díky takzvanému Seebeckovu jevu: Pokud je mezi dvěma konci takového materiálu rozdíl teplot, může se vytvořit elektrické napětí a začít téct proud. Množství elektrické energie, které lze generovat při daném rozdílu teplot, se měří pomocí takzvané hodnoty ZT: Čím vyšší je hodnota ZT materiálu, tím lepší jsou jeho termoelektrické vlastnosti.

Dosud nejlepší termoelektrické materiály byly naměřeny při hodnotách ZT kolem 2,5 až 2,8. Vědcům z TU Wien (Vídeň) se nyní podařilo vyvinout zcela nový materiál s hodnotou ZT 5 až 6. Jedná se o tenkou vrstvu železa, vanadu, wolframu a hliníku nanesenou na krystal křemíku.

Nový materiál je tak účinný, že by mohl být použit k dodávání energie pro senzory nebo dokonce malé počítačové procesory. Namísto připojení malých elektrických zařízení ke kabelům by si mohly vyrábět vlastní elektřinu z teplotních rozdílů. Nový materiál byl nyní představen v časopise Nature.

Elektřina a teplota

„Dobrý termoelektrický materiál musí vykazovat silný Seebeckův efekt a musí splňovat dva důležité požadavky, které je obtížné sladit,“ říká profesor Ernst Bauer z Ústavu fyziky pevných látek na TU Wien. „Na jedné straně by měl co nejlépe vést elektřinu, na druhé straně by měl co nejhůře přenášet teplo. To je výzva, protože elektrická a tepelná vodivost spolu obvykle úzce souvisejí.“

V Laboratoři Christiana Dopplera pro termoelektřinu, kterou Ernst Bauer založil na TU Wien v roce 2013, se v posledních několika letech studovaly různé termoelektrické materiály pro různé aplikace. Tento výzkum nyní vedl k objevu obzvláště pozoruhodného materiálu – kombinace železa, vanadu, wolframu a hliníku.

„Atomy v tomto materiálu jsou obvykle uspořádány v přísně pravidelném vzoru v takzvané krychlové mřížce s centrovaným povrchem,“ říká Ernst Bauer. „Vzdálenost mezi dvěma atomy železa je vždy stejná a totéž platí i pro ostatní typy atomů. Celý krystal je tedy zcela pravidelný.“

Pokud se však tenká vrstva tohoto materiálu nanese na křemík, stane se něco úžasného: struktura se radikálně změní. Ačkoli atomy stále tvoří krychlový obrazec, jsou nyní uspořádány v prostorově centrované struktuře a rozložení různých typů atomů se stává zcela náhodným. „Dva atomy železa mohou sedět vedle sebe, místa vedle nich může obsadit vanad nebo hliník a už neexistuje žádné pravidlo, které by určovalo, kde se v krystalu má nacházet další atom železa,“ vysvětluje Bauer.

Tato směs pravidelnosti a nepravidelnosti uspořádání atomů mění také elektronickou strukturu, která určuje, jak se v pevné látce pohybují elektrony. „Elektrický náboj se v materiálu pohybuje zvláštním způsobem, takže je chráněn před rozptylovými procesy. Části náboje pohybující se materiálem se označují jako Weylovy fermiony,“ říká Ernst Bauer. Tímto způsobem je dosaženo velmi nízkého elektrického odporu.

Mřížkové vibrace, které přenášejí teplo z míst s vysokou teplotou do míst s nízkou teplotou, jsou naopak potlačeny nepravidelnostmi v krystalové struktuře. Proto se tepelná vodivost snižuje. To je důležité, pokud má být z rozdílu teplot trvale generována elektrická energie – pokud by se totiž teplotní rozdíly mohly velmi rychle vyrovnat a celý materiál by měl brzy všude stejnou teplotu, termoelektrický efekt by se zastavil.

Elektřina pro internet věcí

„Takto tenká vrstva samozřejmě nemůže generovat zvlášť velké množství energie, ale její výhodou je, že je velmi kompaktní a přizpůsobivá,“ říká Ernst Bauer. „Chceme ji využít k dodávání energie pro senzory a malé elektronické aplikace.“ Poptávka po takových malých generátorech rychle roste: V rámci „internetu věcí“ je stále více zařízení propojeno online, takže automaticky koordinují své chování mezi sebou. To je slibné zejména pro budoucí výrobní závody, kde musí jeden stroj dynamicky reagovat na druhý.

„Pokud v továrně potřebujete velké množství senzorů, nemůžete je všechny zapojit dohromady. Mnohem rozumnější je, aby si senzory mohly samy vyrábět energii pomocí malého termoelektrického zařízení,“ říká Bauer.