نانوابزار ترموالکتریک برای تبدیل گرما به الکتریسیته

[ERF@N]

یک گروه تحقیقاتی موفق به ساخت سیستم تبدیل انرژی گرمایی به الکتریکی با کارایی بالا شده‌است. این گروه نانوسیم‌ اکسید روی را درون سیلیکون قرار داده و ابزار ترموالکتریک جدید ساختند که می‌تواند گرما را به الکتریسیته تبدیل کند. محققان امیدوارند که این ابزار ترموالکتریک بتواند گرمای موتور خودروها را به الکتریسیته تبدیل کند.

بروس وایت یکی از محققان حوزه نیمه‌هادی و ترانزیستور در شرکت موتورولا است که اخیرا به دانشگاه بینگهامتون نقل مکان کرده است. او بعد از این جابه‌جایی تصمیم می‌گیرد که به جای ساخت ترانزیستور و حافظه روی استفاده از آنها برای حل یک معضل جهانی کار کند.

تبدیل انرژی گرمایی به الکتریسیته یکی از موضوعات بسیار مهم است. اگر یک بخش ماده‌ای گرم شود و بخش دیگر آن سرد باشد می‌توان این گرادیان دمایی را به الکتریسیته تبدیل کرد. در حال حاضر مواد ترموالکتریکی موجود در بازار کارایی کمی برای تولید الکتریسیته از این روش دارند. در بسیاری از مواد، گرما یک موج در ساختار اتمی ماده ایجاد کرده که این موج موجب لرزش سریع‌تر اتم‌ها می‌شود. کارایی این مکانیسم بسیار کم است.

وایت تصمیم به ساخت ماده‌ای گرفت که کمترین اثر نوسانات اتمی را داشته باشد؛ با این کار بیشتر جریان گرمایی صرف حرکت دادن الکترون‌ها می‌شود. این ماده باید فراوان و غیرسمی باشد. برای این منظور او به سراغ اکسید روی رفت که ماده‌ای ارزان، فراوان و ایمن است. مشکل آن است که پیش از تبدیل انرژی گرمایی به الکتریسیته، این انرژی صرف لرزش اتم‌ها می‌شود. او برای حل این مشکل نانوسیم‌هایی از اکسید روی تولید کرد، سپس این نانوسیم‌ها را درون آئروژل سیلیکا قرار داد، آئروژل‌های سیلیکا عایق حرارتی هستند. با این کار اثر نارسانا بودن آئروژل‌ها روی نانوسیم اکسید روی اثر گذاشته و حرکت موج گرمایی را در آن به شدت کاهش می‌دهد به‌طوری که نوسانات اتمی حاصل از گرما در این ساختار جدید 10 برابر کاهش یافت. وایت و همکارانش نتایج این یافته‌های خود را در نشریه Applied Physics Letters به چاپ رساندند.

وایت می‌گوید: از این مبدل انرژی جدید می‌توان برای تبدیل گرمای تولید شده در موتور خودرو به انرژی الکتریکی استفاده کرد.

نتایج یافته‌های این گروه برای اداره تحقیقات نیروی دریایی آمریکا بسیار جالب بود به همین دلیل آنها تصمیم گرفتند تا از این پروژه حمایت مالی کنند.

این نانوکامپوزیت جدید دارای هدایت گرمایی 1000 برابر کمتر از سیلیکون معمولی است، این گروه امیدوارند که با خالص‌سازی بلورها و ایجاد الگوهای منظم‌تر بتوانند این رقم را سه برابر کمتر کنند.