Dlaczego konwencjonalne konwertery ciepła są tak problematyczne?
Kluczowym wyzwaniem dla większości obecnie znanych rozwiązań jest ich konstrukcja. Opierają się one na tzw. podłużnym efekcie termoelektrycznym, który wymaga łączenia wielu naprzemiennych warstw półprzewodników. Każde takie połączenie tworzy opór elektryczny, co prowadzi do strat energii i znacząco obniża ogólną wydajność urządzenia. Alternatywą są poprzeczne urządzenia termoelektryczne (TTE). Generują one napięcie prostopadle do kierunku przepływu ciepła, a co najważniejsze, można je wytworzyć z pojedynczego materiału. To eliminuje problematyczne styki między warstwami, zmniejsza opór i upraszcza produkcję. Niestety, materiały wykazujące silny poprzeczny efekt są niezwykle rzadkie.
Czytaj też: Światło w kształcie pączka uratuje Wi-Fi? Nowa fizyka obiecuje koniec z gubieniem zasięgu
Chcieliśmy zbadać nowe poprzeczne materiały termoelektryczne. Ostatnio obecność osiowo zależnej polaryzacji przewodzenia (ADCP) w materiale została uznana za wskaźnik zdolności do generowania TTE – relacjonuje Okazaki
Nietypowa struktura elektronowa kluczem do sukcesu
Sekretem MoSi2 okazała się jego elektronowa natura. Naukowcy odkryli, że za pożądane właściwości odpowiada specyficzna, mieszana wymiarowo powierzchnia Fermiego. W uproszczeniu, ta granica między stanami zajętymi i wolnymi przez elektrony składa się z dwóch obszarów o przeciwnych polaryzacjach. To właśnie umożliwia generowanie napięcia w poprzek kierunku gradientu temperatury. Zespół zmierzył efektywność materiału, stosując różnicę temperatur pod kątem 45 stopni do jednej z jego osi krystalograficznych. Wyniki były lepsze niż w przypadku podobnego dwukrzemku wolframu (WSi2) i porównywalne z materiałami Nernsta, czyli magnetycznymi związkami znanymi z silnych efektów TTE.
Czytaj też: Kiedy fizyka spotyka patelnie. Takiej rewolucji byle naczynia w kuchni nikt się nie spodziewał
Potencjalne zastosowania wydają się szerokie: od odzysku energii z układów wydechowych, przez różne procesy przemysłowe, po zasilanie autonomicznych czujników. Biorąc pod uwagę, że w wielu gałęziach przemysłu od 20 do 50 procent energii marnuje się jako ciepło, nawet częściowy odzysk miałby ogromne znaczenie. Perspektywy są obiecujące, choć pojawiają się rzecz jasna pytania o koszty produkcji, trwałość w warunkach przemysłowych i skalowalność technologii. Niemniej, prace zespołu z Tokio dają konkretną nadzieję, że w przyszłości uda się skuteczniej zagospodarować gigantyczne ilości marnowanej dziś energii.