Emulator materiałów termoelektrycznych

Emulator materiałów termoelektrycznych

Odkryte w XIX wieku, materiały termoelektryczne mają niezwykłą właściwość zamiany ciepła w prąd elektryczny. Zwiększenie jego poziomu do zgodnego z potrzebami nowoczesnych technologii spędza sen z powiek naukowcom przez ostatnie dziesięciolecia. Nowe podejście może prowadzić do istotnego postępu. Na ETH Zurich, grupa naukowców pod wodzą Tilmana Esslingera stworzyła model, który pozwoli zrozumieć to zjawisko o wiele lepiej niż dotychczas.

Stało się to niemal przez przypadek podczas wizyty profesora Antoine'a Georgesa z Francji, który uświadomił naukowcom, jakiego odkrycia dokonali. Po prezentacji ich nowego doświadczenia, profesor był zachwycony i przedstawił badaczom obliczenia, które wykazały, jak efektywny jest przedstawiany przez nich efekt termoelektryczny.

Przetwarzanie ciepła w energię elektryczną zazwyczaj polega na procesie spalania, który następnie podgrzewa płyn, wprowadzający turbiny w ruch, który ostatecznie wytwarza prąd elektryczny. Przy wykorzystaniu materiałów termoelektrycznych, cały cykl jest o wiele bardziej uproszczony i bardziej naturalny. Niemniej jednak, efekt jest słaby znane do tej pory materiały mają słabą wydajność.

W chwili obecnej technologia ta stosowana jest głównie do zasilania sond kosmicznych, takich jak łazik Curiosity badający Marsa lub do małych urządzeń, takich jak czujniki z własnym zasilaniem. Jednak specjaliści spodziewają się poszerzyć zakres możliwych zastosowań efektu termoelektrycznego w przyszłości. W każdym silniku marnowane jest niezwykle dużo ciepła. Firmy samochodowe już teraz przeprowadzają testy różnych systemów odzyskiwania energii z gazów spalinowych, spodziewając się oszczędności paliwa na poziomie od 3 do 5 %. Inne możliwe aplikacje konsumenckie to zasilanie telefonów komórkowych lub zegarków przez ciepło ciała. Bardzo wydajny materiał termoelektryczny będzie w przyszłości głównym źródłem energii odnawialnej, ponieważ ciepło jest zazwyczaj marnotrawione przez naturalną działalność człowieka .

Emulator stworzony przez ETH znajduje się w komorze próżniowej wykonanej ze szkła. Otoczony jest przez gaz składający się z atomów litu. Za pomocą laserów gaz ochładza się do niskich temperatur, bliskich zeru absolutnemu. W tych warunkach atomy w gazie zachowują się jak elektrony w materiale, tworząc przestrzennie zróżnicowaną strukturę. Aby symulować termoelektryczność atomy są wychwytywane przez zestaw wiązek laserowych.

Wykorzystując przechwycone atomy, możliwa jest symulacja złożonych materiałów. W ciągu ostatnich dziesięciu lat, grupa naukowców z ETH studiowała, w ten sposób, nadprzewodniki. Naukowcy nie spodziewali się jednak, że uda im się zasymulować efekt termoelektryczny.

Mimo, że to dopiero początek, może on mieć wielki wpływ na inżynierię materiałową, tworząc swojego rodzaju punkt odniesienia. W ciągu najbliższych dwóch lat, zespół będzie starał się doprowadzić do eksperymentu pozwalającego zbadać bardziej złożone systemy. Ale już teraz nowa technologia rzuca nowe światło na termoelektryczność. Pozwala porównać teorię z rzeczywistymi eksperymentami. W emulatorze można zasymulować nawet skutki uszkodzeń i zaburzeń w materiałach.

Podstawowe procesy leżące u podstaw termoelektryczności mogą być teraz badane w sposób kontrolowany. Może to pomóc w symulacji i projektowaniu materiałów termoelektrycznych w przyszłości, w szczególności, gdy eksperymenty na naturalnych materiałach nadal borykają się ze słabą interpretacją teoretyczną.

(rr)