Egy új anyag mágneses mezőben rekord hatásfokkal alakítja elektromossággá a hőt

Képzeljük el, hogy az autónkat részben a motor által kibocsátott hővel hajtanánk vagy például, hogy az egész házunkat egy erőmű feleslegesen kibocsátott hőjével keletkezett elektromossággal látnánk el. Ez a hatásfok egy nap valóra válhat a hőelektromos anyagok fejlődésével – melyek spontán elektromos áramot hoznak létre, amikor az egyik oldalukat melegítik.

Az elmúlt 60 évben a kutatók rengeteg különböző anyag hőelektromos tulajdonságait vizsgálták meg – különös figyelmet fordítva a hő elektromossággá alakításának hatásfokára. Azonban máig nem találtak olyan anyagot, aminek a hatásfoka elég magas ahhoz, hogy praktikus lenne a széleskörű használata.

Viszont az MIT fizikusai most felfedeztek egy módszert, amivel lényegesen növelhető a hőelektromos potenciál. Az általuk lemodellezett anyag ötször nagyobb hatásfokú és kétszer annyi energiát képes előállítani, mint a jelenlegi legjobb hőelektromos anyag.

“Ha minden úgy működik, mint ahogyan reméljük, akkor hirtelen rengeteg olyan dolog ami nem elég hatékony, sokkal hatékonyabbá válhat,” mondta Brian Skinner, a felfedezésről készült tanulmány vezető szerzője. “Az autókban is láthatjuk majd őket; kis hőelektromos hasznosítókat, amelyek a motor által kibocsátott hulladékhő segítségével töltik az akkumulátorokat, vagy ezeket az eszközöket erőművek köré is elhelyezhetik, amivel nukleáris reaktorok vagy szénerőművek korábban elpazarolt hőjét begyűjthetjük és az elektromos hálózatba juttathatják.”

Az anyag elektromosságot előállító képessége a hőkülönbség hatására az elektronjaikban kiváltott viselkedésnek köszönhető. Amikor a hőelektromos anyag egyik oldalát melegítik, akkor az elektronjainak egy része a meleg oldalról a hidegre ugranak – és ez az elektron különbség mérhető töltést hoz létre.

Az eddig vizsgált anyagok csak nagyon alacsony mennyiségű energiát hoztak létre, ami főleg annak volt köszönhető, hogy az elektronokat termikusan nehéz energizálni. A legtöbb anyagnál az elektronok kötésekként léteznek, amelyek egymástól elválasztottak. Az energizált elektronok képesek átugrani a kötések között, azonban ennek az előidézése igen nehéz feladatnak bizonyult.

A kutatók most topológiai félfémek családjába tartozó anyagok hőelektromos tulajdonságait vizsgálták meg. Összehasonlítva a többi szilárd anyaggal, a topológiai félfémek azért különlegesek mert a kötéseik között nincsenek közök – ami lehetővé teszi, hogy az elektronok könnyen a magasabb energiájú kötésekhez ugorjanak a melegítés hatására.

A kutatók eredetileg, úgy gondolták, hogy ezek a laboratóriumokban előállított anyagok nem rendelkeznek majd túl magas hőelektromos potenciával, mivel amikor az elektronok a hő hatására a másik oldalra vándorolnak, “lyukakat” hagynak maguk után mivel pozitív töltésű részecskék is a hideg oldalra vándorolnak – ezzel kiegyenlítve a negatív töltést.

Azonban a csapat nem akarta ilyen egyszerűen leírni az anyag lehetőségeit. Egy másik a mostanitól független kísérlet során a kutatók észrevettek egy különleges hatást az erős mágnesességnek kitett félvezetőknél. Megfelelő körülmények között a mágneses mező képes volt hatást gyakorolni az elektronok mozgására -megváltoztatva pályájukat. Ennek hatására a kutatók úgy határoztak megnézik az erős mágneses mező milyen hatással van a topológiai félfémekre.

Egy 2013-mas kutatás már megjegyezte, hogy az általuk vizsgált ón szelenid topológiai anyag hőelektromos tulajdonsága megemelkedett, amikor nagyon erős mágneses térbe került (35 tesla). Ennek a kutatásnak az adatait felhasználva a kutatók több modellt készítettek el, amivel megvizsgálták az anyag energiatermelő képességét, különböző hőmérséklet és mágneses mező mellett.

“Idővel rájöttünk, hogy erős mágneses mezőben egy furcsa dolog történik, amivel az elektronokat és a lyukakat ellentétes irányba lehet mozgatni,” mondta Skinner. “Az elektronok a hideg oldal, amíg a lyukak a meleg oldal felé húzódnak. Összedolgoznak, és elméletileg egyre nagyobb és nagyobb töltést kaphatunk ugyanazon az anyagon a mágneses mező felerősítésével.”

A csapat elméleti modellje kiszámolta az ón szelenid ZT értékét – ami az anyag energiatermelésének elméleti határa. Az eddigi leghatékonyabb hőelektromos anyag ZT-je 2 volt, amíg erős mágneses mezőben a szelenid ZT-je megközelíti a 10-et. Ez akkora emelkedés, hogy a kutatók először számítási hibákat sejtettek mögötte, viszont napokkal és rengeteg számítással később igazolták, hogy valóban ekkora értékeket produkál az ón szelenid.

A számítások szerint a 10 ZT azt jelenti, hogy ha szobahőmérsékletről 500 kelvinre melegítik az anyagot 30 tesla mágneses mezőben, akkor a hőenergia 18%-át képes elektromossággá alakítani – szemben ugyanezek a körülmények között a 2-es ZT-jű anyag csak a hő 8%-át alakítja át.

A csapat elismerte, hogy ez az anyag a szélsőségesen magas mágneses mezőben működik csak megfelelő hatékonysággal – 30 teslát csak nagyon kevés kutatóintézetben képesek csak előidézni, habár az elmúlt években hatalmas előrelépések történtek a szakterületen. Így szerintük az anyag praktikus felhasználásához reálisabb cél az 1-2 teslás mágneses mező használata.

A csapat szerint, hogyha a topológia félfém megfelelő tisztaságú, akkor még ezek a körülmények között is jó eredmények érhetőek el vele. Ez nem egy könnyű feladat, azonban a kutatók kiemelték, hogy a mostani kutatásukhoz használt ón szeleneidnél léteznek sokkal tisztább topológiai félfémek is – más szóval más anyagok megfelelőbbek lehetnek.

A kutatók már benyújtották a szabadalmukat a felfedezéssel kapcsolatban és jelenleg a Princeton Egyetem csapatával dolgoznak együtt, hogy az eredményeket kísérletileg is igazolják.

Forrás: advances.sciencemag.org

Szerkesztő: arsratio

Oszd meg

Hozzászólás küldése

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.