Technologia z marsjańskich łazików i kryształ mogą pomóc w walce z CO2

  Materiały termoelektryczne są znane od lat, ale ze względu na niewielką efektywność stosujemy je w dość ograniczonym zakresie. Najbardziej spektakularnymi przykładami ich użycia są oczywiście pojazdy kosmiczne, których część napędzana jest przez generatory MMRTG, w których źródłem ciepła jest rozpadający się pluton-238 (głównie) zawarty w dwutlenku plutonu. Materiałami termoelektrycznymi są związki ołowiu, germanu i srebra z tellurem. Problemem takich ogniw, poza samą konstrukcją i zastosowanymi materiałami jest wydajność, w przypadku modułu łazika to ok. 4-5%.

Zmienić ciepło w elektryczność

Urządzenia konwertujące ciepło na prąd elektryczny wykorzystują zjawisko Seebecka, który zauważył, że napięcie elektryczne powstaje, gdy dwa różne materiały przewodzące prąd elektryczny są połączone w obwód zamknięty, a dwa złącza są utrzymywane w różnych temperaturach. Takich zestawy par termoelektrycznych nazywane są termoparami.

Dlaczego to ważne

Stworzenie taniego i efektywnego materiału termoelektrycznego mogłoby rozwiązać sporą część problemów z emisją CO2. Dziś, straty energii z powodu emisji ciepła sięgają 65%. Odzyskanie chociaż jej części mogłoby zmniejszyć zapotrzebowanie na energię z paliw kopalnych. Silniki, elektrownie węglowe tę samą ilość energii dostarczyłyby zużywając znacznie mniej paliwa.

Problemy, problemy...

Stworzenia takich materiałów nie jest niestety proste, półprzewodniki stosowane do ich stworzenia muszą charakteryzować się specyficznymi cechami fizycznymi. Muszą mieć niską przewodność cieplną, wysoką przewodność elektryczną, a do tego być wytrzymałe na wysokie temperatury. Do tego powinny być oczywiście tanie.

Kilka lat temu wydawało się, że uda się takie coś osiągnąć. Naukowcy stworzyli monokryształy selenku cyny, które osiągnęły współczynnik ZT, w którym mierzy się wydajność konwersji na poziomie 3,1. Problemem było to, że kryształy były trudne w produkcji i bardzo delikatne, co wykluczało je z powszechnego użycia.

Naukowcy stwierdzili, że rozwiązaniem będzie stworzenie polikryształów tego związku, które powinno dać według wyliczeń teoretycznych bardzo podobny wynik. Niestety, o ile właściwości fizyczne okazały się zgodne z przewidywaniami, to polikryształowy selenek cyny przekazywał znacznie więcej ciepła, a współczynnik ZT spadł do poziomu 1,2.

Na szczęście twórcy nie poddali się, tylko zaczęli poszukiwać źródła problemu. Okazało się, że w procesie wytwarzania kryształów tworzyła się na ich powierzchni warstwa tlenku cyny, który dystrybuował ciepło. Naukowcom udało się stworzyć nowy proces wytwarzania czystej formy selenku cyny, co rozwiązało problem. Wyniki osiągane przez taki polikryształ okazały się nawet lepsze niż w przypadku oryginalnych monokryształów.

Na półmetku

Osiągnięcie naukowców oznacza rozwiązanie połowy problemów. Urządzenia termoelekryczne działają dzięki dwu rodzajom materiałów, P - przewodzi ładunki dodatnie i tutaj mamy właśnie nasz polikryształ, oraz N odpowiedzialny za ładunki ujemne. W przypadku tego ostatniego prace jeszcze trwają.

Udało się stworzyć monokryształ selenku cyny z dodatkiem atomów bromu, który spełnia tę rolę, a obecnie trwają próby nad stworzeniem wytrzymalszych polikryształów typu N. Jeśli to się powiedzie, generatory termoelektryczne będą mogły pojawić się samochodach, hutach, elektrowniach, a korzyści z ich zastosowania mogą oznaczać prawdziwą rewolucję.

Całą pracę znajdziecie tutaj.

Źródła: [1]