Najpierw zużywamy ogromne ilości energii, żeby napędzić maszyny, rozpędzić samochody, przetworzyć dane albo rozgrzać przemysłowy piec, a następnie sporą część tej energii wyrzucamy w powietrze. Czasem dosłownie przez komin lub rurę wydechową, a czasem przez radiator, obudowę urządzenia i wentylatory rozpaczliwie próbujące schłodzić elektronikę. Problem polega na tym, że odzyskiwanie ciepła jest znacznie trudniejsze, niż mogłoby się wydawać. Ciepło lubi się rozpraszać, różnice temperatur znikają, a materiały dobrze przewodzące elektrony zazwyczaj równie chętnie przewodzą energię cieplną. Japońscy naukowcy uważają jednak, że znaleźli sposób na częściowe rozbrojenie tego kompromisu.
Ciepło można zamienić w prąd. Robimy to nawet w kosmosie
Sama idea nie jest nowa. Materiały termoelektryczne wykorzystują efekt Seebecka, czyli powstawanie napięcia elektrycznego pod wpływem różnicy temperatur między dwiema stronami materiału. Jedna powierzchnia jest gorąca, druga chłodniejsza, a poruszające się nośniki ładunku zaczynają generować użyteczne napięcie. NASA od dekad wykorzystuje generatory radioizotopowe, które zamieniają ciepło rozpadu plutonu-238 w energię elektryczną zasilającą sondy kosmiczne oraz łaziki. Tyle że w kosmosie najwyżej ceniona jest niezawodność przez wiele lat, a nie konkurencyjna cena każdej kilowatogodziny. W przemyśle rachunek ekonomiczny jest znacznie bardziej bezlitosny.
Czytaj też: Przyszłość zajrzała na wysypisko. Butelki, reklamówki i opakowania dały wodór
Departament Energii Stanów Zjednoczonych przyznaje, że technologie odzyskiwania ciepła są dostępne komercyjnie, ale ich szersze wykorzystanie blokują między innymi ograniczenia materiałowe, koszty obsługi oraz trudność integracji z istniejącymi instalacjami. Innymi słowy, nie wystarczy położyć magicznej płytki na rozgrzanej rurze i podłączyć do niej fabrykę. Pisałem już o podobnej walce przy organicznych urządzeniach termoelektrycznych, które dzięki zmianie procesu produkcji zaczęły działać wielokrotnie skuteczniej. Tam rozwiązaniem miało być odpowiednie układanie polimerów. Tym razem badacze z Institute of Science Tokyo zeszli jeszcze głębiej, bo do struktury pojedynczych warstw atomowych.
Kryształ z atomową “kanapką”
Zaproponowany przez specjalistów materiał (TlFe₁.₆Se₂) składa się z talu, żelaza oraz selenu, ale znacznie ciekawsza od samego składu jest jednak jego budowa. Wewnątrz dużego, trójwymiarowego kryształu znajdują się niezwykle cienkie warstwy selenku żelaza, czyli FeSe, które są oddzielane warstwami zawierającymi atomy talu. Badacze porównują tę strukturę do kanapki. Warstwy FeSe są jej kolejnymi składnikami, regularnie zamkniętymi w znacznie większej bryle materiału. Każda z nich zachowuje część właściwości charakterystycznych dla dwuwymiarowych błon o grubości liczonej w pojedynczych atomach.
Właśnie w tym tkwi pierwsza ważna część pomysłu. Ultracienkie warstwy FeSe potrafią osiągać świetne parametry elektryczne, ale ich praktyczne wykorzystanie jest problematyczne. Błona o grubości około jednego nanometra może imponować podczas eksperymentu, lecz trudno pokryć nią rurę wydechową, piec hutniczy czy przemysłowy wymiennik ciepła tak, aby przetrwała tysiące cykli nagrzewania i chłodzenia. TlFe₁.₆Se₂ ma zachowywać część zalet takich cienkich warstw, ale zamyka je w zwartej formie. Zamiast próbować budować urządzenie z delikatnej błony, naukowcy otrzymują bryłę materiału, w której dwuwymiarowe struktury powstają naturalnie jedna nad drugą.
Czytaj też: Czy to żyje?! Zaobserwowali coś, co umykało naukowcom przez lata
Drugi element układanki brzmi wręcz jak wada produkcyjna. W strukturze kryształu brakuje części atomów żelaza. Są to tak zwane wakancje, czyli puste miejsca w sieci krystalicznej, w których normalnie powinien znajdować się atom. Idealnie regularny kryształ ułatwia przenoszenie drgań sieci nazywanych fononami. Można wyobrazić je sobie jako fale przechodzące przez uporządkowany układ atomów i transportujące energię cieplną. Gdy struktura zostaje zaburzona, fonony zaczynają się rozpraszać. Ich prędkość spada, skraca się czas życia oraz droga, którą mogą pokonać.
W TlFe₁.₆Se₂ działa kilka takich przeszkód jednocześnie. Ciężkie i stosunkowo słabo związane atomy talu ograniczają prędkość drgań, a zróżnicowane długości oraz siły wiązań żelaza z selenem tworzą kolejne miejsca rozpraszania. Wakancje żelaza dodatkowo zniekształcają całą strukturę. Kryształ jest więc przewodnikiem pełnym mikroskopijnych progów zwalniających, ale zaprojektowanych dla ciepła. Właśnie dlatego niedoskonałość okazuje się tutaj zaletą. Prąd nadal może przepływać przez warstwy FeSe, ale ciepło ma znacznie trudniejszą drogę. Jest to dokładnie ten zestaw cech, którego oczekuje się od dobrego materiału termoelektrycznego – wysokiej sprawności transportu ładunku i jednocześnie niskiej przewodności cieplnej.
Dobry wynik, ale nie bez zastrzeżeń
Najniższa przewodność cieplna na poziomie około 0,2 W/(m·K) dotyczy sieci krystalicznej TlFe₁.₆Se₂ przy temperaturze około 500°C. Nie jest to więc całkowita przewodność materiału ani wynik osiągany w temperaturze typowej dla rozgrzanego silnika. Przy około 50°C pełna przewodność wynosiła 0,8 W/(m·K), a w okolicach 200°C sama część sieciowa spadała do mniej więcej 0,4 W/(m·K). Wyniki nadal robią wrażenie, zwłaszcza po stronie elektrycznej. Przy 50°C współczynnik mocy sięgnął 5,2 µW/(cm·K²), czyli był około trzydziestokrotnie wyższy niż w masywnym FeSe. Wskaźnik jakości termoelektrycznej ZT osiągnął z kolei około 0,2, a więc wartość mniej więcej stukrotnie wyższą.
Nie jest to jednak materiał, który działa coraz lepiej wraz ze wzrostem temperatury. Powyżej około 200°C wakancje żelaza tracą uporządkowanie. Przewodnictwo elektryczne rośnie, ale spada współczynnik Seebecka, a ZT obniża się do około 0,05. TlFe₁.₆Se₂ zaczyna więc sprawniej przewodzić ładunek, lecz gorzej zamienia różnicę temperatur w energię elektryczną. Właśnie ten kompromis pokazuje, dlaczego rozwój termoelektryki jest tak trudny. Nie wystarczy zatrzymać ciepło i ułatwić przepływ elektronów. Wszystkie właściwości materiału muszą poprawiać się w taki sposób, aby rzeczywiście rosła jego końcowa sprawność.
Ważniejszy od samego kryształu może być jego projekt
Największym osiągnięciem zespołu nie musi być więc sam TlFe₁.₆Se₂, lecz sposób jego zaprojektowania. Naukowcy zamknęli właściwości bardzo cienkich warstw FeSe wewnątrz większego, trójwymiarowego kryształu. Warstwy odpowiadają za transport elektronów, a masywna struktura może być łatwiejsza do zastosowania poza laboratorium niż błona o grubości kilku atomów. Kontrolowane braki atomów żelaza ograniczają z kolei przepływ ciepła. Kryształ nie jest idealny i właśnie dzięki temu działa lepiej. Defekty rozpraszają drgania sieci krystalicznej, utrudniając energii cieplnej przemieszczanie się przez materiał.
Jeszcze niedawno pomysł ukrycia funkcjonalnych warstw atomowych w większym krysztale brzmiałby jak wizja z odległej przyszłości. Dziś taką strukturę można już wytworzyć i dokładnie zbadać. Droga od laboratoryjnej próbki do generatora prądu pozostaje jednak bardzo długa. Najbardziej oczywistym problemem jest obecność silnie toksycznego talu. Przemysłowe wykorzystanie TlFe₁.₆Se₂ wymagałoby całkowitego odizolowania materiału od otoczenia, zabezpieczenia go przed uszkodzeniami oraz opracowania bezpiecznego procesu produkcji i recyklingu.
Nie wiadomo też, jak kryształ znosiłby tysiące cykli nagrzewania i chłodzenia, wibracje, wilgoć, spaliny oraz kontakt z agresywnymi chemicznie gazami. Laboratoryjna próbka ma niewiele wspólnego z modułem, który przez lata miałby pracować na silniku, piecu przemysłowym albo instalacji energetycznej. Badacze nie zbudowali również kompletnego generatora zapewniającego użyteczną moc. Zmierzyli właściwości materiału i wyjaśnili mechanizm jego działania, ale nadal brakuje elektrod, obudowy, systemu chłodzenia drugiej strony i całej konstrukcji umożliwiającej realne odzyskiwanie energii.
Prąd z odpadowego ciepła nadal jest odległy
Nie zakładałbym, że to właśnie TlFe₁.₆Se₂ trafi kiedyś do fabryk i samochodów. Toksyczny skład oraz umiarkowana wartość ZT mogą sprawić, że kryształ pozostanie przede wszystkim demonstracją nowego sposobu projektowania materiałów. Znacznie ważniejsza może okazać się sama reguła tego, że właściwości cienkich warstw można zamknąć w większym krysztale, a kontrolowane defekty wykorzystać do ograniczania transportu ciepła. Kolejne materiały mogą działać podobnie, ale nie zawierać talu, osiągać wyższą sprawność i zachowywać parametry w szerszym zakresie temperatur.
Czytaj też: Termika wchodzi w erę logiki. Materiał zaczął kierować ciepłem
Dopiero wtedy ciepło uciekające dziś z fabryk, silników, pieców i elektroniki zacznie w większej skali wracać do systemu jako energia elektryczna. Nie odzyskamy go w całości, ale nawet niewielka część mogłaby zasilać czujniki, odciążać instalacje elektryczne i podnosić sprawność maszyn. Przyszłość termoelektryki zapewne nie nadejdzie w formie jednego wielkiego generatora. Bardziej prawdopodobne są tysiące niewielkich powierzchni, które dziś tylko się nagrzewają, a kiedyś przy okazji zaczną wytwarzać prąd. Nowy kryształ jeszcze tego świata nie tworzy, ale podpowiada, jak można próbować go zbudować – warstwa po warstwie i atom po atomie.
