Έλληνας πίσω από το ρεκόρ μετατροπής θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια

Στη φωτογραφία, το βέλος δείχνει τη θερμοηλεκτρική γεννήτρια ραδιοϊσοτόπων που τροφοδοτεί με ενέργεια το όχημα Curiosity που εξερευνά τον Άρη. (φωτ. JPL-CALTECH/NASA)

Ερευνητική ομάδα με επικεφαλής Έλληνα επιστήμονα κατασκεύασε -με τη βοήθεια της νανοτεχνολογίας- θερμοηλεκτρικό υλικό που έσπασε το ρεκόρ της μετατροπής θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature και δείχνουν ότι η διαταραχή της δομής των υλικών μπορεί να είναι το κλειδί για τη δημιουργία μιας νέας γενιάς τεχνολογιών για την παραγωγή ενέργειας.

Όλοι γνωρίζουμε ότι η θερμότητα είναι ένα σημαντικό υποπροϊόν διαφόρων ανθρωπίνων δραστηριοτήτων εργασιών. Σε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, για παράδειγμα, μόνο το ένα τρίτο της παραγόμενης ενέργειας (θερμότητας) πηγαίνει στη γεννήτρια και μετατρέπεται σε ηλεκτρικό ρεύμα ενώ το υπόλοιπο χάνεται με τον ένα ή τον άλλο τρόπο –αναξιοποίητο- στο περιβάλλον.

Επί δεκαετίες, οι φυσικοί προσπαθούν να βρουν τους τρόπους για να μετατρέψουν άμεσα τη θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια . Υλικά που είναι γνωστά ως θερμοηλεκτρικά χρησιμοποιούν τις διαφορές θερμοκρασίας για να οδηγούν τα ηλεκτρόνια από το ένα άκρο τους στο άλλο. Τα ηλεκτρόνια αυτά δημιουργούν μία τάση η οποία μπορεί με τη σειρά της να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία άλλων συσκευών, για παράδειγμα για τη φόρτιση ενός συσσωρευτή. Τέτοια υλικά έχουν βρεί εξειδικευμένες εφαρμογές: το όχημα Curiosity που εξερευνά την επιφάνεια του Άρη, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί θερμοηλεκτρικά υλικά για να μετατρέψει τη θερμότητα που δημιουργεί το πλουτωνίο από το οποίο τροφοδοτείται, σε ηλεκτρική ενέργεια.

Θερμοηλεκτρική απόδοση

Τα θερμοηλεκτρικά υλικά όμως δεν είναι, όμως, τόσο αποδοτικά ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν παντού. Με τις υπάρχουσες τεχνολογίες μπορεί κανείς να μετατρέψει μόνο το 5-7% της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική, ποσοστό που είναι κατά πολύ χαμηλότερο από ό,τι η απόδοση άλλων τεχνολογιών, όπως τα φωτοβολταϊκά στοιχεία.

Το ζητούμενο για την αύξηση της απόδοσης είναι η εύρεση υλικών που άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά όχι θερμότητα. Σύμφωνα με Έλληνα επιστήμονα Μερκούρη Καναντζίδη, χημικό στο Πανεπιστήμιο Northwestern στο Evanston του Ιλλινόις, ο τρόπος για να γίνει αυτό μπορεί να είναι η καθιέρωση μιας διαταραχής στη δομή των υλικών.

Ο Καναντζίδης και η ομάδα του ξεκίνησαν με ένα από τα πιο γνωστά θερμοηλεκτρικά υλικά, τον τελλουριούχο μόλυβδο (PbTe), ο οποίος έχει συνήθως μια διατεταγμένη δομή πλέγματος. Οι ερευνητές «έριξαν» διάσπαρτα λίγα άτομα νατρίου στο μόριό του, για να ενισχύσουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού και στη συνέχεια «στρίμωξαν» εκεί μερικούς νανοκρυστάλλους τελλουριούχου στροντίου (SrTe), ενός άλλου θερμοηλεκτρικού υλικού. Οι κρύσταλλοι άφηναν τα ηλεκτρόνια να περάσουν, αλλά προκαλούσαν διαταραχή στη ροή θερμότητας, διατηρώντας σε υψηλά επίπεδα την θερμοβαθμίδα (temperature gradient).

Το τελικό στάδιο ήταν να σταματήσουν τη ροή θερμότητας σε μεγαλύτερη κλίμακα. Για να γίνει αυτό, η ομάδα δημιούργησε μία ρηγματώδη έκδοση του θερμοηλεκτρικού της κρυστάλλου. Η ρηγμάτωση έκανε το θαύμα της: οι ρωγμές επέπτρεπαν στα ηλεκτρόνια να κινούνται, αλλά αντανακλούσαν τις δονήσεις της θερμότητας στον κρύσταλλο. Το υλικό είχε απόδοση περίπου 15% – διπλάσιο από εκείνο του κανονικού θερμοηλεκτρικού ΡbΤe.

«Πρόκειται για μια σημαντική πρόοδο», λέει ο Jeff Snyder, ένας επιστήμονας υλικών στο California Institute of Technology στη Πασαντένα. Τα τελευταία χρόνια, και άλλες ομάδες έχουν δημιουργήσει νανοδομημένα υλικά με υψηλή απόδοση, αλλά η προσπάθεια της ομάδας του Καναντζίδη πέτυχε είναι την υψηλότερη μέχρι στιγμή τιμή. Ο Snyder πιστεύει ότι η προσέγγιση της ομάδας του Καναντζίδη για την εισαγωγή διαταραχής στη δομή του υλικού είναι σαφώς ο τρόπος για την αύξηση της αποδοτικότητας: «Αυτό που μας περιγράφουν είναι αυτό που εμείς οι σύγχρονοι θερμοηλεκτρικοί πιστεύουμε ότι είναι το τέλειο θερμοηλεκτρικό υλικό».

«Αυτό δεν σημαίνει ότι το υλικό είναι έτοιμο να χρησιμοποιηθεί στο επόμενο όχημα που εξερευνήσει τον Άρη» είπε ο Snyder. Το νάτριο που εισάγεται για να διευκολύνει την κίνηση των ηλεκτρονίων είναι ιδιαίτερα δραστικό, και μπορεί να αποδομήσει το υλικό, ιδιαίτερα αν συσσωρευθεί κατά μήκος των ρηγμάτων που έχουν σχεδιαστεί για να σταματήσουν τη ροή θερμότητας. Η NASA διερευνά ήδη παρόμοιες προσεγγίσεις για τις μελλοντικές διαστημικές αποστολές, αλλά δεν έχει ακόμη πεισθεί ότι η τεχνολογία αυτή είναι έτοιμη για αξιοποίηση είπε επίσης ο Snyder.

Ο Καναντζίδης από τη μεριά του είναι πιο αισιόδοξος. «Νομίζω ότι τα υλικά που έχουμε σήμερα είναι αρκετά καλά για να τα χρησιμοποιήσουμε σε διάφορες εφαρμογές», λέει. «Πεποίθησή μου είναι ότι σε περίπου δύο με τρία χρόνια θα έχουμε κάποιο αποτέλεσμα.»

Πηγή: nature