روش بهتر توليد برق از منابع گرمايي

معمولاً 70 درصد از انرژي موتور خودروها، از طريق گرمايي كه توليد مي‌كنند، به هدر مي‌رود. دانشمندان استراليايي و اورگان1، راهكار مؤثري يافته‌اند كه نه تنها موجب بازيابي اين انرژي از دست رفته مي‌شود بلكه در درازمدت، توانايي و قابليت توليد برق از گرماي درون زمين را ايجاد مي‌كند. براي اين كار، از نانوسيم‌هاي بسيار نازك داراي پتانسيلي با بازده بيش از دو برابر مواد ترموالكتريك، استفاده مي‌شود. به گفته «هينرلينك» استاديار فيزيك دانشگاه اورگان كه با مؤسسه ميكروتكنولوژي و نانوعلم اورگان (ONAMI) همكاري دارد: اگر همه چيز به خوبي پيش رود، مي‌توان بزودي كاربرد چنين دستگاه‌هاي ترموالكتريك نانوساختاري موتور را مشابه چرخه بازيافت گرماي توليد شده در موتور خودروهاي خنك‌سازي ريزپردازنده كامپيوترها و يخچال‌هاي فشرده‌تر و كم سر و صداتر خانگي، شاهد بود.

لينك و همكارش «تامي هامفري» عضو شوراي تحقيقات استراليا، نتايج يافته‌هاي خود را در كنفرانس ابزارهاي نانومقياس تجميع سيستم‌ها2 كه در هوستون برگزار شد، ارائه كردند. بخش مرور مقالات موجود Nature Materialsكه به صورت آن‌لاين قابل دسترسي است، ضمن شگفت‌انگيز خواندن كار اين دو محقق، آن را پيشرفتي قابل توجه در مقايسه با ترموالكتريك‌هاي توده‌اي كنوني دانسته است.

مسئله جالب توجه اين است كه دانشمندان ياد شده، دريافته‌اند كه دو ماده در عين دارا بودن دمايي متفاوت، مي‌توانند در مقياس نانو از يكديگر، در حال تعادل گرمايي باشند و اين واقعيتي است كه با قوانين كنوني فيزيك سازگاري ندارد، اما براي عملكرد خاص مورد نظر دانشمندان كه كاربرد گسترده فناوري ترموالكتريك در توليد قدرت سرماسازي را موجب مي‌شود، بسيار ضروري و حياتي است.

اگر يك فنجان داغ را روي نيمكتي قرار دهيد، پس از مدتي گرماي خود را از دست داده و سرد مي‌شود تا با نيمكتي كه روي آن قرار دارد، به تعادل گرمايي برسد. به بياني ديگر، اين يك اصل مسلم ترموديناميكي است كه هميشه گرما از محيط گرم به سرد جريان مي‌يابد و البته در اين بين، مقداري انرژي نيز تلف مي‌شود.

دانشمندان در پي آن هستند تا با استفاده از مواد ترموالكتريكي، اين انرژي تلف شده را بازيابي كرده و به الكتريسيته تبديل كنند. اين كار تنها در صورتي موفقيت‌آميز است كه بتوان جريان گرما را تحت كنترل در آورد و اين همان كاري است كه هامفري و لينك، موفق به انجام آن شده‌اند. به گفته لينك، ايده اصلي در اين روش، استفاده از دو حالت غيرتعادلي- با اختلاف دما- است. لينك و هامفري نشان داده‌اند كه با اعمال ولتاژ بر يك سيستم الكتريكي و وجود اختلاف دماي آن، مي‌توان الكترون‌هاي با انرژي مشخص مورد نظر را در آن سيستم به كار گرفت. بنابراين، اگر يك ماده نانوساختاري طراحي شده باشد كه تنها به الكترون‌هاي با انرژي خاص مورد نظر، اجازه عبور دهد، به نوع جديدي از تعادل دست يافته‌ايم كه در آن برخلاف تعادل‌هاي ترموديناميكي معمول، الكترون‌ها به خودي خود نمي‌توانند از محيط گرم به سرد جريان يابند.

هامفري توضيح مي‌دهد كه: اين توازن ظريف مي‌تواند كاربردهاي عملي بسيار زيادي داشته باشد زيرا با محقق شدن چنين تعادل جديدي، ابزار ترموالكتريكي كه براي تبديل گرماي انرژي الكتريكي مفيد، از روش اتصال الكتريكي نواحي سرد و گرم در يك نيمه رسانا استفاده مي‌كنند، مي‌توانند حتي در نزديكي نقطه تعادل نيز كار كنند. اين نيازي كليدي براي افزايش بازده ابزار و رسيدن به حد كارنو است كه حداكثر بازده ممكن براي ماشين گرمايي تلقي مي‌شود. زيرا سيستم در حال تعادل جريان الكترون‌ها، برگشت‌پذير بوده و با توجه به اين برگشت‌پذيري، دستگاه مي‌تواند به حداكثر بازده ممكن برسد.

تاكنون، اين نوع دستگاه‌ها كه بخش متحركي نداشته‌اند و آن‌قدر كوچك بوده‌اند كه بتوان آنها را روي يك ريز تراشه جاي داد، بازدهي بسيار پايين (كمتر از 15 درصد حد كارنو براي توليد برق) داشته‌اند و به همين علت، جز در مواردي خاص و محدود، كاربردي نداشتند.

اساس طرح لينك و هامفري، يافتن ساختار باندي الكترونيك مناسب در مواد ظريف ترموالكتريكي است كه از تعداد بسيار زياد نانوسيم تشكيل شده‌اند. با انجام اين طرح، دستگاه‌هاي ترموالكتريك نانوساختاري ايجاد شده به اين روش، بازدهي نزديك به 50 درصد در حد كارنو، خواهند داشت.

با كمك چنين موادي است كه توليد الكتريسيته از گرماي درون زمين و يا گرماي خروجي موتور خودروهاي تركيبي، امكان‌پذير مي‌شود. گفتني است كه اين تحقيق، موفق به دريافت جايزه بنياد ملي علوم امريكا شده است.