211service.com
Běh za tepla a za studena
Profesorka institutu Mildred S. Dresselhausová chce myšlence z 19. století vnést nový směr. Vědci vědí o termoelektrickém jevu téměř 200 let: některé materiály generují elektrické napětí, když je jejich teplota na každé straně jiná. A když je na ně přivedeno napětí, na jedné straně se zahřívají a na druhé ochlazují. Vyrábět materiály s těmito vlastnostmi však bylo vždy výzvou: většina materiálů, které vedou elektrický proud, také vede teplo, takže se jejich teplota rychle vyrovnává. To je činí neefektivními při výrobě elektřiny a nepraktickými pro většinu aplikací vytápění nebo chlazení.
Ale Dresselhausová, která zkoumá fyziku pevných látek v nanoměřítku, říká, že termoelektrická zařízení budou životaschopná, až budou nové nanostrukturní materiály, které ona a další navrhují v laboratoři, komercializovány. S Gang Chenem z MIT, Zhifengem Renem z Boston College a Jean-Pierrem Fleurialem z NASA Jet Propulsion Laboratory, Dresselhaus manipuluje s vlastnostmi přenosu energie materiálů v nanoměřítku, aby vyvinul dobré elektrické vodiče, které jsou špatnými tepelnými vodiči. Při práci s kompozity vyrobenými z komplementárních polovodičových materiálů, jako je telurid vizmutu a křemíkové germanium, vědci doufají, že vytvoří termoelektrické materiály dvakrát účinnější než jejich konvenční protějšky.
Stávající termoelektrické materiály již mají určité aplikace, jako jsou individuálně temperovaná autosedačky, které lze účinně zahřívat, když jsou studené, nebo ochlazovat, když jsou zpocené. Systém, vyrobený společností se sídlem v Michiganu, zvyšuje spotřebu paliva i pohodlí: Pokud sedíte na chladném sedadle, potřebujete méně klimatizace, zdůrazňuje Dresselhaus. Ještě lepší by však byly aplikace, které zachycují odpadní teplo – řekněme z výfuku automobilu – a přeměňují ho na elektřinu. Všichni se zajímáme o udržitelnou energii, říká. Pokud bychom dokázali recyklovat odpadní teplo k výrobě energie, mohli bychom ho využít k něčemu užitečnému.
Současným úkolem je začlenit nanočástice do dostatečně velkých struktur, aby se mohly zapojit do systému v lidském měřítku. Za tímto účelem Dresselhaus vymačká nanočástice křemíku a germania do formy, poté je rychle zahřeje a ochladí ve vakuu a zhutní je do milimetrových tyčinek. Stlačováním malých částic, které se liší složením a velikostí, zvětšuje povrch materiálu a vytváří překážkovou dráhu vnitřních substruktur nanoměřítek, které zpomalují přenos tepla a zároveň propouštějí elektrickou energii.
Nové materiály by mohly pomoci výzkumníkům zabudovat chladicí systémy do mikročipů, nahradit systémy HVAC na bázi freonu ve vozidlech, zvýšit účinnost automobilových motorů a zlepšit fotovoltaickou účinnost využitím slunečního tepla i světla. Kdybychom zlepšili materiály, které by bylo možné vyrábět levně a ve velkém množství, určitě by se termoelektrický průmysl mohl pohnout kupředu rychleji, říká Dresselhaus. Autosedačkami to nekončí.