ساخت ماده‌ای نیمه هادی برای کاهش انتشار گرمای نیروگاه‌ها

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما، 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 سامانه‌های صنعتی مانند نیروگاه‌ها دارند، استفاده کردند.

به نقل از پایگاه تک اکسپلور، 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 می‌کند. این دستگاه‌ها می‌توانند از گرما از جمله گرمای حاصل از نیروگاه‌ها که به گرمایش کره زمین کمک می‌کند، 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 می‌گشاید که می‌تواند عملکرد را بیشتر افزایش دهد.
سرامیک‌های 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 سرامیک‌ها می‌توانند به عنوان ماده‌ای برای اجزای ژنراتور ترموالکتریک کاربرد یابند.

با این حال، سرامیک‌های اکسیدی، ساختار‌های«پلی کریستالی» دارند که از کریستال‌های متصل متعدد تشکیل شده است. مهندسان در کاربرد‌های ترموالکتریک این مواد در مقیاس بزرگ با مشکل مواجه می‌شوند؛ چرا که مرزدانه ها، جایی که کریستال‌ها به هم می‌رسند، جریان الکترونی را که مولد‌های ترموالکتریک را تامین می‌کند، مسدود می‌سازند.

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، مرزدانه‌های 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 می‌کند و یک فراورده فرعی بیشتر برنامه‌های 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 سامانه‌هایی مانند نیروگاه‌ها، سامانه‌های گرمایش خانگی و خودرو‌ها در جو منتشر می‌شود و پیش‌بینی می‌شود بازار جهانی سامانه‌های 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 می‌شود. سرامیک‌های اکسید ترموالکتریک با بهبود قابل توجه توانایی ژنراتور‌های ترموالکتریک برای تبدیل گرمای تلف شده به الکتریسیته وارد عمل می‌شوند.

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 می‌تواند 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 ده‌ها سال کار تئوری و آزمایشی فشرده‌ای 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 مرزدانه‌ها بین کریستال‌ها 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 سرامیک‌های اکسیدی می‌انجامد و با ابتکار عمل گرمایش صنعتی وزارت انرژی آمریکا برای توسعه فناوری‌های کربن زدایی حرارتی صنعتی مقرون به صرفه با کاهش حداقل ۸۵ درصد انتشار گاز‌های گلخانه‌ای تا سال ۲۰۳۵ هم راستا است.