Poszukiwanie nietypowych stopów metalicznych w celu stworzenia materiałów termoelektrycznych prowadzą naukowcy z California Institute of Technology oraz University of Tokyo.
Materiały termoelektryczne to substancje wykazujące efekt termoelektryczny. Mogą być wykorzystane do zamiany ciepła odpadowego w energię elektryczną lub po to, by zapewnić chłodzenie bez potrzeby stosowania cieczy chłodzących. Zjawiska termoelektryczne opisuje prawo Ohma, prawo Fouriera, zjawisko Seebecka, efekt Peltiera, zjawisko Thomsona.
Zespół naukowców opracował stosunkowo prostą metodę, nazwaną zespołem sztywnego modelu, która z odpowiednim oprogramowaniem pozwala przewidywać właściwości materiałów dokładniej niż konkurencyjne, bardziej skomplikowane metody. “Nasza metoda dostarcza prostych, przewidywalnych koncepcji, których potrzebujemy do owocnego odkrywania kompozycji materiałów termoelektrycznych” – mówi G. Jeffrey Snyder, pracownik wydziału Caltech, który kierował badaniami.
Termoelektryki pierwszy raz użyte zostały w latach 50′ XX wieku przy budowie sond kosmicznych. Konwertowały ciepło z rozpadu promieniotwórczych pierwiastków w energię elektryczną. Ich niezwykłe właściwości wynikają ze złożonych oddziaływań pomiędzy wieloma elektronami związanymi z atomami w stopach metali ciężkich, takich jak ołów, bizmut, tellur i antymon.
Zdjęcie termoelektrycznego modułu Seebeck’a.
Bez ruchomych części, generatory termoelektryczne są ciche i niezawodne oraz wymagające minimalnej konserwacji. Jednakże są one stosunkowo nieefektywne (zazwyczaj mniej niż 10%), a materiały potrzebne do ich budowy są kosztowne. Właśnie te czynniki uniemożliwiły ich szerokie zastosowanie i materiały termoelektryczne stosowane są w niszowych produktach takich jak sondy kosmiczne lub chłodziarki do win.
Ostatnie lata wykazały zwiększone zapotrzebowanie na efektywność energetyczną i wytwarzania energii bez użycia węgla. Wywołało to ponowne zainteresowanie termoelektrykami. Naukowcy wierzą, że wraz z wprowadzeniem ulepszeń, materiały mogą generować tanią energię elektryczną z ciepła wytwarzanego przez silniki i piece fabrycznych.
“Gdybyśmy mogli podwoić wydajność materiałów, to moduły termoelektryczne mogłyby się znaleźć w układzie wydechowym samochodu i generować wystarczającą ilość energii, aby zastąpić alternator, co pozwoliłoby na zwiększenie zasięgu samochodu” – powiedział Snyder.
Największym wyzwaniem dla naukowców jest wybór kompozycji stopu, wielkości kryształów i dodatków (zwanych także domieszkami), które mogłyby zwiększyć wydajność termoelektryków. Dzięki ogromnej liczbie możliwych kombinacji do wyboru, naukowcy wykorzystują obliczenia teoretyczne, aby prowadzić poszukiwania obiecujących materiałów. Taka złożoność materiałów, wymaga różnych założeń, z których każde prowadzi do innych rozwiązań.
“Zespół sztywnego modelu” zapewnia stosunkowo prosty model elektryczny struktury materiału oraz bardziej złożony model idealnej aranżacji atomowej. Niektórzy naukowcy twierdzą, że technika ta jest zbyt prosta i niedokładna by być przydatna.
Zespół Snydera tych doniesień nie potwierdził. Ich obliczenia wykazały, że sztywny model był rzeczywiście bardziej dokładny niż metoda Supercell w przewidywaniu właściwości popularnego materiału termoelektrycznego – tellurku ołowiu (PbTe)z domieszką sodu, potasu lub talu. Domieszka Na, K, Tl, lub wakat w miejscu Pb, utrzymuje wysoką symetrię struktury o wyglądzie NaCl.
“Metoda Supercell jest dokładna dla bardzo konkretnych domieszek, ale nie jest brany pod uwagę rozkład wad i defektów występujących w rzeczywistych materiałach” – powiedział Snyder. “Korzystając z prostszej metody “zespołu sztywnego modelu” naukowcy powinni być w stanie szybciej zidentyfikować obiecujące i bardziej wydajne kompozycje termoelektryczne” dodał.
Źródło:
[1] Yoshiki Takagiwa, Yanzhong Pei, Gregory Pomrehn, G. Jeffrey Snyder. Validity of rigid band approximation of PbTe thermoelectric materials. APL Materials, 2013;
[2] http://aplmaterials.aip.org/resource/1/ampads/v1/i1/p011101_s1?view=fulltext&bypassSSO=1 | 01.07.2013
[3] http://home.agh.edu.pl/~tml/archives/3 | 01.07.2013
[3] Thermoelectric Seebeck power module by Gerardtv, Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3.0