Ερευνητές στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης ανακάλυψαν εξαιρετικές θερμοηλεκτρικές ιδιότητες κραμάτων νικελίου-χρυσού. Αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποτελεσματική μετατροπή της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια, αποφεύγοντας σύνθετα συστήματα στροβίλων. Τα ευρήματά τους δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Science Advances.
Η θερμοηλεκτρική τεχνολογία επιτρέπει την άμεση μετατροπή της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια – και αντίστροφα. Αυτό τα καθιστά ενδιαφέροντα για ένα ευρύ φάσμα τεχνολογικών εφαρμογών. Σε αναζήτηση θερμοηλεκτρικών υλικών με τις καλύτερες δυνατές ιδιότητες, μια ερευνητική ομάδα από το TU Wien μελέτησε διάφορα κράματα μετάλλων. Ένα μείγμα νικελίου και χρυσού αποδείχθηκε ιδιαίτερα υποσχόμενο.
Η χρήση θερμοηλεκτρικών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι κάτι καινούργιο. Από τα μέσα του 20ου αιώνα έχουν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στην εξερεύνηση του διαστήματος, αλλά τα θερμοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται επίσης σε καθημερινές εφαρμογές, όπως φορητά ψυγεία. Επιπλέον, θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε βιομηχανικά περιβάλλοντα για τη μετατροπή της απορριπτόμενης θερμότητας σε πράσινη ηλεκτρική ενέργεια, για να αναφέρουμε μόνο μία πιθανή εφαρμογή.
Πώς λειτουργεί ο θερμοηλεκτρισμός
Το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο βασίζεται στην κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων που μεταναστεύουν από την θερμότερη προς την ψυχρότερη πλευρά ενός υλικού. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια ηλεκτρική τάση – τη λεγόμενη θερμοηλεκτρική τάση – η οποία εξουδετερώνει τη θερμικά διεγερμένη κίνηση των φορέων φορτίου. Η αναλογία μεταξύ της συσσωρευμένης θερμοηλεκτρικής τάσης και της διαφοράς θερμοκρασίας ορίζει τον συντελεστή Seebeck, που πήρε το όνομά του από τον Γερμανό φυσικό Thomas Johann Seebeck, ο οποίος είναι μια σημαντική παράμετρος για τη θερμοηλεκτρική απόδοση ενός υλικού. Η σημαντική προϋπόθεση εδώ είναι να υπάρχει ανισορροπία μεταξύ των θετικών και αρνητικών φορτίων, καθώς αντισταθμίζουν το ένα το άλλο.
«Αν και ο Seebeck ανακάλυψε το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο σε κοινά μέταλλα πριν από περισσότερα από 200 χρόνια, σήμερα τα μέταλλα δύσκολα θεωρούνται θερμοηλεκτρικά υλικά επειδή συνήθως έχουν πολύ χαμηλό συντελεστή Seebeck», εξήγησε ο Fabian Garmroudi, πρώτος συγγραφέας της μελέτης. Από τη μία πλευρά, μέταλλα όπως ο χαλκός, το ασήμι ή ο χρυσός έχουν εξαιρετικά υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Από την άλλη πλευρά, ο συντελεστής Seebeck τους είναι στις περισσότερες περιπτώσεις εξαιρετικά μικρός.
Κράματα νικελίου-χρυσού με εξαιρετικές ιδιότητες
Οι φυσικοί στο Ινστιτούτο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης (TU Vienna) κατάφεραν τώρα να βρουν μεταλλικά κράματα με υψηλή αγωγιμότητα και εξαιρετικά υψηλό συντελεστή Seebeck. Η ανάμειξη του μαγνητικού μεταλλικού νικελίου με το ευγενές μέταλλο χρυσού αλλάζει ριζικά τις ηλεκτρονικές ιδιότητες. Μόλις το κιτρινωπό χρώμα του χρυσού εξαφανιστεί όταν προστεθεί περίπου 10% νικέλιο, η θερμοηλεκτρική απόδοση αυξάνεται γρήγορα. Η φυσική προέλευση του ενισχυμένου φαινομένου Seebeck έχει τις ρίζες του στην ενεργειακά εξαρτώμενη συμπεριφορά σκέδασης των ηλεκτρονίων – ένα φαινόμενο θεμελιωδώς διαφορετικό από το θερμοηλεκτρικό των ημιαγωγών. Λόγω των ιδιαίτερων ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των ατόμων νικελίου, τα θετικά φορτία διασπείρονται πιο έντονα από τα αρνητικά φορτία, με αποτέλεσμα την επιθυμητή ανισορροπία και επομένως υψηλή θερμοηλεκτρική τάση.
«Ας φανταστούμε έναν αγώνα μεταξύ δύο δρομέων, όπου το ένα άτομο τρέχει σε καθαρή πίστα, αλλά το άλλο άτομο πρέπει να ξεπεράσει πολλά εμπόδια. Φυσικά, αυτός που βρίσκεται στην ελεύθερη πίστα προχωρά πιο γρήγορα από τον αντίπαλο, ο οποίος πρέπει να επιβραδύνει και να αλλάζει κατεύθυνση πολύ πιο συχνά», συνέκρινε ο Andrej Pustogow, ανώτερος συγγραφέας της μελέτης για τη ροή ηλεκτρονίων στα μεταλλικά θερμοηλεκτρικά. Στα κράματα που μελετήθηκαν εδώ, τα θετικά φορτία διασπείρονται έντονα από τα ηλεκτρόνια του νικελίου, ενώ τα αρνητικά φορτία μπορούν να κινηθούν πρακτικά αδιατάρακτα.
Δισκογραφικό υλικό
Ο συνδυασμός εξαιρετικά υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας και ταυτόχρονα υψηλού συντελεστή Seebeck οδηγεί σε τιμές ρεκόρ του συντελεστή θερμοηλεκτρικής ισχύος στα κράματα νικελίου-χρυσού, οι οποίες ξεπερνούν κατά πολύ αυτές των συμβατικών ημιαγωγών. «Με την ίδια γεωμετρία και σταθερή κλίση θερμοκρασίας, θα μπορούσε να παράγει πολλές φορές περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από οποιοδήποτε άλλο γνωστό υλικό». Αυτή η ενέργεια θα μπορούσε να είναι το αποτέλεσμα της εκμετάλλευσης της θερμότητας που διαφορετικά θα σπαταλούσε και θα ήταν δύσκολο να χρησιμοποιηθεί.
Επιπλέον, η χρήση ενός υλικού όπως ο χρυσός, εάν διαδοθεί ευρέως σε μεγάλη κλίμακα, θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε αύξηση της τιμής του χρυσού, ιδιαίτερα στην ελάχιστη τιμή του, διότι θα αύξανε τη ζήτησή του ως βιομηχανικό υλικό. Ταυτόχρονα η υψηλή τιμή του μετάλλου αποτελεί περιορισμό στη χρήση του.
Χάρη στο κανάλι μας στο Telegram, μπορείτε να ενημερώνεστε για τη δημοσίευση νέων άρθρων Οικονομικών Σεναρίων.
Το άρθρο Μια νέα ανακάλυψη στον τομέα της θερμοηλεκτρικής ενέργειας υπόσχεται να αποκτήσει περισσότερη πράσινη ηλεκτρική ενέργεια και να αλλάξει τις τιμές των μετάλλων προέρχεται από τα Οικονομικά Σενάρια .
Αυτή είναι μια αυτόματη μετάφραση μιας ανάρτησης που δημοσιεύτηκε στο Scenari Economici στη διεύθυνση URL https://scenarieconomici.it/una-nuova-scoperta-nel-settore-della-termoelettricita-promette-di-ottenere-piu-elettricita-verde-e-di-cambiare-le-quotazioni-dei-metalli/ στις Sun, 01 Oct 2023 13:28:17 +0000.