Nowy materiał bije rekord świata w zamienianiu ciepła w energię elektryczną

Nowy rodzaj materiału bardzo wydajnie generuje prąd elektryczny na podstawie różnic temperatur. Dzięki temu czujniki i małe procesory mogą bezprzewodowo zaopatrywać się w energię.

Materiały termoelektryczne mogą przekształcać ciepło w energię elektryczną. Dzieje się tak dzięki tak zwanemu efektowi Seebecka: Jeśli istnieje różnica temperatur pomiędzy dwoma końcami takiego materiału, może zostać wygenerowane napięcie elektryczne i może zacząć płynąć prąd. Ilość energii elektrycznej, która może zostać wygenerowana przy danej różnicy temperatur jest mierzona za pomocą tak zwanej wartości ZT: Im wyższa wartość ZT materiału, tym lepsze jego właściwości termoelektryczne.

Najlepsze dotychczas termoelektryki mierzono przy wartościach ZT wynoszących około 2,5 do 2,8. Naukowcom z TU Wien (Wiedeń) udało się teraz opracować zupełnie nowy materiał o wartości ZT wynoszącej od 5 do 6. Jest to cienka warstwa żelaza, wanadu, wolframu i aluminium stosowane do kryształu krzemu.

Nowy materiał jest tak skuteczny, że może być stosowany w celu zapewnienia energii dla czujników, a nawet małych procesorów komputerowych. Zamiast podłączać małe urządzenia elektryczne do kabli, mogłyby one generować swoją własną energię elektryczną z różnic temperatur. Nowy materiał został zaprezentowany w czasopiśmie Nature.

Elektryczność i temperatura

„Dobry materiał termoelektryczny musi wykazywać silny efekt Seebecka i musi spełniać dwa ważne wymagania, które są trudne do pogodzenia”, mówi prof. Ernst Bauer z Instytutu Fizyki Ciała Stałego w TU Wien. „Z jednej strony powinien jak najlepiej przewodzić prąd elektryczny, z drugiej strony powinien jak najsłabiej transportować ciepło. Jest to wyzwanie, ponieważ przewodnictwo elektryczne i przewodnictwo cieplne są zazwyczaj ściśle powiązane.”

W Christian Doppler Laboratory for Thermoelectricity, które Ernst Bauer założył w TU Wien w 2013 roku, w ciągu ostatnich kilku lat badano różne materiały termoelektryczne do różnych zastosowań. Badania te doprowadziły teraz do odkrycia szczególnie niezwykłego materiału- kombinacji żelaza, wanadu, wolframu i aluminium.

„Atomy w tym materiale są zazwyczaj ułożone w ściśle regularny wzór w tak zwanej face-centered cubic lattice,” mówi Ernst Bauer. „Odległość między dwoma atomami żelaza jest zawsze taka sama i to samo dotyczy innych typów atomów. Cały kryształ jest więc całkowicie regularny.”

Jednakże, gdy cienka warstwa materiału zostanie nałożona na krzem, dzieje się coś niesamowitego: struktura zmienia się radykalnie. Chociaż atomy nadal tworzą wzór sześcienny, są teraz ułożone w strukturę skupioną w przestrzeni, a rozmieszczenie różnych typów atomów staje się całkowicie przypadkowe. „Dwa atomy żelaza mogą siedzieć obok siebie, miejsca obok nich mogą być zajęte przez wanad lub aluminium i nie ma już żadnej reguły, która dyktowałaby, gdzie w krysztale ma się znaleźć kolejny atom żelaza” – wyjaśnia Bauer.

Ta mieszanina regularności i nieregularności ułożenia atomów zmienia również strukturę elektroniczną, która określa, jak elektrony poruszają się w ciele stałym. „Ładunek elektryczny przemieszcza się przez materiał w specjalny sposób, dzięki czemu jest chroniony przed procesami rozpraszania. Porcje ładunku podróżujące przez materiał są określane mianem fermionów Weyl’a” – mówi Ernst Bauer. W ten sposób uzyskuje się bardzo niski opór elektryczny.

Wibracje sieciowe, które transportują ciepło z miejsc o wysokiej temperaturze do miejsc o niskiej temperaturze, są natomiast hamowane przez nieregularności w strukturze kryształu. Dlatego przewodność cieplna maleje. Jest to ważne, jeśli energia elektryczna ma być trwale generowana z różnicy temperatur – ponieważ jeśli różnice temperatur mogłyby się bardzo szybko wyrównać i cały materiał miałby wkrótce wszędzie tę samą temperaturę, efekt termoelektryczny zatrzymałby się.

Elektryczność dla Internetu Rzeczy

„Oczywiście, tak cienka warstwa nie może generować szczególnie dużej ilości energii, ale ma tę zaletę, że jest niezwykle kompaktowa i można ją dostosować”, mówi Ernst Bauer. „Chcemy wykorzystać ją do dostarczania energii dla czujników i małych aplikacji elektronicznych”. Zapotrzebowanie na takie małe generatory szybko rośnie: W „Internecie rzeczy” coraz więcej urządzeń jest połączonych ze sobą online tak, że automatycznie koordynują one swoje zachowanie ze sobą. Jest to szczególnie obiecujące dla przyszłych zakładów produkcyjnych, gdzie jedna maszyna musi dynamicznie reagować na drugą.

„Jeśli w fabryce potrzebna jest duża liczba czujników, nie można ich wszystkich połączyć przewodami. Znacznie mądrzej jest, gdy czujniki są w stanie generować własną moc za pomocą małego urządzenia termoelektrycznego” – mówi Bauer.