ساخت ماده ای نیمه هادی برای کاهش انتشار گرمای نیروگاه‌ها

به گزارش گروه علم و آموزش ایرنا از تارنمای اخبار علمی تک اکسپلور، سرجیو آندرس پاردس ناویا، سزار اکتاویو رومو د لا کروز، لیانگ لیانگ و النا جمن محققان دانشگاه ویرجینیای غربی از یک میکروسکوپ الکترونی برای مطالعه نانوساختار یک ماده سرامیکی اکسیدی جدید با پتانسیل ساخت ژنراتورهای ترموالکتریک که کارآمدی کافی برای جذب بخش قابل توجهی از گرمای هدر رفته سامانه های صنعتی مانند نیروگاه ها دارند، استفاده کردند.

تیمی به رهبری شویان سانگ، جورج بی بری، رییس دانشکده مهندسی و منابع معدنی استاتلر، یک ماده سرامیکی اکسیدی تولید کرده اند که مشکل دیرینه بازده ژنراتورهای ترموالکتریک را حل می کند. این دستگاه ها می توانند از گرما از جمله گرمای حاصل از نیروگاه ها که به گرمایش کره زمین کمک می کند، برق تولید کنند.

وی گفت سرامیک اکسیدی به عملکردی بی‌سابقه که غیرممکن تلقی می‌شد، دست یافته است. ما بهترین سرامیک‌های اکسید ترموالکتریک را که در ۲۰ سال گذشته در سراسر جهان گزارش شده‌، به نمایش گذاشتیم. این نتایج، مسیرهای تحقیقاتی جدیدی را می گشاید که می‌تواند عملکرد را بیشتر افزایش دهد.

این یافته‌ها در نشریه Renewable and Sustainable Energy Reviews منتشر شده است.

سرامیک های اکسیدی از همان خانواده موادی مانند سفال، چینی، آجر سفالی، سیمان و سیلیکون هستند، اما عناصر فلزی مختلفی در خود دارند. این مواد سخت، مقاوم در برابر حرارت و خوردگی هستند و برای کاربرد در دماهای بالا در هوا مناسب هستند. این سرامیک ها می توانند به عنوان ماده ای برای اجزای ژنراتور ترموالکتریک کاربرد یابند.

با این حال، سرامیک های اکسیدی، ساختارهای "پلی کریستالی" دارند که از کریستال های متصل متعدد تشکیل شده است. مهندسان در کاربردهای ترموالکتریک این مواد در مقیاس بزرگ با مشکل مواجه می شوند؛ چرا که مرزدانه ها، جایی که کریستال ها به هم می رسند، جریان الکترونی را که مولدهای ترموالکتریک را تامین می کند، مسدود می سازند.

مرز دانه نوع خاصی سطح مشترک جامد-جامد است که در دو سمت آن فاز یکسان بوده ولی جهت فضایی محورهای بلوری متفاوت است. مرزدانه‌ها نوع خاصی از عیوب بلوری صفحه‌ای به‌شمار می‌روند که در ریزساختار ماده نواحی بین دانه‌ها را تشکیل می‌دهند.

رومو د لا کروز، محقق فوق دکترا گفت: ما با افزودن «دوپانت‌ها» یا یون‌های فلزی به سرامیک‌های پلی‌کریستال،‌ مرزدانه های اجتناب ناپذیر و مضر را به مسیرهای رسانای الکتریسیته تبدیل کردیم و عملکرد ترموالکتریک را به طور قابل توجهی بهبود بخشیدیم.

این تحقیق پاسخی به مشکل فزاینده اتلاف گرما که به تغییر اوضاع اقلیمی کمک می کند و یک فراورده فرعی بیشتر برنامه های تبدیل سوخت به نیرو است. هنگامی که لامپ‌ها داغ می‌شود، گرما هدر می‌رود: انرژی اضافی ناکارآمد که به کار اصلی لامپ یعنی تولید نور کمک نمی‌کند. گرمای هدر رفته از سامانه هایی مانند نیروگاه‌ها، سامانه های گرمایش خانگی و خودروها در جو منتشر می‌شود و پیش‌بینی می‌شود بازار جهانی سامانه های بازیابی این گرمای هدر رفته تا سال ۲۰۲۶ از ۷۰ میلیارد دلار فراتر برود.

رومو د لا کروز توضیح داد: گرما تقریباً برای تولید همه چیز از غذا گرفته تا فلزات و الکتریسیته استفاده می‌شود. اما در این فرآیندها، حدود ۶۰ درصد از انرژی تولید شده به صورت غیرمولد در محیط به شکل گرما آزاد می شود. سرامیک های اکسید ترموالکتریک با بهبود قابل توجه توانایی ژنراتورهای ترموالکتریک برای تبدیل گرمای تلف شده به الکتریسیته وارد عمل می شوند.

ژنراتورهای ترموالکتریک یک فناوری نویدبخش برای بازیابی گرمای تلف شده هستند؛ به این دلیل که کارکرد و نگهداری از آنها ساده است. یک ژنراتور ترموالکتریک قدرتمند می تواند بخش قابل توجهی از گرمای تلف شده نیروگاه را جذب کند.

سانگ گفت: فناوری ترموالکتریک ناکارآمد و غیراقتصادی است. نداشتن اثربخشی در تبدیل انرژی، مانع توسعه دستگاه‌های ترموالکتریک می‌شود، هرچند نیاز مبرم به آنها وجود دارد.

آزمایشگاه سانگ این مشکل را با استفاده از مهندسی نانوساختار حل کرد؛ دستکاری ساختار کریستالی سرامیک در مقیاس اتمی که فقط با استفاده از میکروسکوپ الکترونی قابل مشاهده است - برای ایجاد یک ماده پلی کریستالی متراکم که از مواد تک کریستالی استاندارد کنونی، عملکرد بهتری دارند.

اگرچه تنظیم عملکرد مواد مختلف برای ترموالکتریک‌ها انگیزه بخش ده ها سال کار تئوری و آزمایشی فشرده ای در این زمینه بوده است، اما سانگ معتقد است برای سرامیک‌های اکسید فله، آزمایشگاه او اولین آزمایشگاهی است که افزایش قابل توجهی را در بازده تولید انرژی از گرما از طریق مهندسی مرزدانه ها بین کریستال ها در سطح نانو و اتمی نشان داده است.

وی گفت: این کار در آستانه بازیابی گرمای هدر رفته در مقیاس بزرگ و در دمای بالا است و به دوران جدیدی برای سرامیک های اکسیدی می انجامد و با ابتکار عمل گرمایش صنعتی وزارت انرژی آمریکا برای توسعه فناوری های کربن زدایی حرارتی صنعتی مقرون به صرفه با کاهش حداقل ۸۵ درصد انتشار گازهای گلخانه ای تا سال ۲۰۳۵ هم راستا است.