علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
A new ‘gold standard’ compound for generating electricity from heat
(Emily Caldwell – إميلي كالدويل)
ملخص المقالة:
مولدات الطاقة الكهروحرارية هي أداة مفيدة لتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، لكن توصيل الكهرباء إلى جانبها الساخن جدًا يمثل مشكلة، تتجنبها الأجهزة الحالية عن طريق إنتاج تيار يعمل بشكل عمودي على جهاز موصل، مما يتطلب جهات اتصال فقط على الطرف البارد للمولد. وقد أظهر باحثو جامعة ولاية أوهايو في دراسة جديدة أن مادة واحدة (بلورة ذات طبقات) تتكون من عنصري الرينيوم والسيليكون، تعمل كمولد حراري عالي الفعالية بسبب خاصية حمل كلا الشحنات الموجبة والسالبة في نفس الوقت ، والتي يمكن أن تتحرك بشكل مستقل بدلاً من العمل بالتوازي مع بعضها البعض، مما يجبرها على التعرج لتوليد تيار كهربائي. ومن خلال بناء مولد كهربائي حراري بكريستال يبلغ طوله بوصتين تقريبًا، يمكن انتاج قدر هائل من الطاقة عندما تقع البلورة في زاوية معينة في الجهاز. ويمكن نظريًا ان يوضع المولد المصنوع من هذا المركب للاستخدام في أي مكان يتم توليد الحرارة فيه، و يمكنه إنتاج ما يكفي من الكهرباء من عادم السيارة لدفع السيارة إلى الأمام.
( المقالة )
قد تكون مولدات الطاقة الكهروحرارية التي تنتج الطاقة الكهربائية من الحرارة المهدرة أداة مفيدة لتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري إذا لم تكن المشكلة الأكثر إزعاجًا: الحاجة إلى توصيل الكهرباء إلى جانبها الساخن، والذي غالبًا ما يكون ساخنًا جدًا بالنسبة للمواد التي يمكن أن تولد التيار.
الحرارة تتسبب في تعطل الأجهزة بمرور الوقت
تتجنب الأجهزة المعروفة باسم الكهروحرارية المستعرضة (transverse thermoelectrics) هذه المشكلة عن طريق إنتاج تيار يعمل بشكل عمودي على جهاز موصل، مما يتطلب جهات اتصال فقط على الطرف البارد للمولد. وعلى الرغم من اعتبارها تقنية واعدة، فإن المواد المعروفة بإنتاج هذا الجهد الجانبي غير فعالة من الناحية العملية – أو هكذا اعتقد العلماء.
وقد أظهر باحثو جامعة ولاية أوهايو في دراسة جديدة أن مادة واحدة، بلورة ذات طبقات تتكون من عنصري الرينيوم والسيليكون، تبين أنها المعيار الذهبي للأجهزة الكهروحرارية المستعرضة.
وأثبت العلماء أن هذا المركب الفردي يعمل كمولد حراري عالي الفعالية بسبب خاصية نادرة: حمل كلا الشحنات الموجبة والسالبة في نفس الوقت والتي يمكن أن تتحرك بشكل مستقل بدلاً من العمل بالتوازي مع بعضها البعض، مما يجبرها (الشحنات) على التعرج في طريقها إلى اتصالات لتوليد تيار كهربائي.
ومن خلال بناء مولد كهربائي حراري بكريستال يبلغ طوله بوصتين تقريبًا، قرر الباحثون أيضًا أنه عندما تقع البلورة في زاوية معينة في الجهاز، يمكنها إنتاج قدر هائل من الطاقة.
وقال المؤلف المشارك للدراسة جوشوا جولدبيرجر، أستاذ الكيمياء والكيمياء الحيوية في جامعة ولاية أوهايو: “لقد أظهرنا أن هذه المواد فعالة مثل تقنية المولدات الحرارية التقليدية، لكنها تغلبت على عيوبها الرئيسية”. وتابع: “هذه هي المرة الأولى التي يثبت فيها أن هذا النوع من الأجهزة ممكن على الإطلاق. مع الكفاءات التي تزيد من حيث الحجم عن أي جهاز عرضي سابق، يكون هذا المركب جيدًا مثل ما يمكنك شراؤه تجاريًا، ولكنه يَعِدُ بأن يكون أبسط كثيرًا وأكثر موثوقية”. وقد نُشر البحث على الإنترنت في مجلة “الطاقة وعلوم البيئة” (Energy & Environmental Science).
وبينما يتم توليد 97٪ من الطاقة من الحرارة، فإننا نهدر من معظم الحرارة، ونتركها تهرب من المداخن وأنابيب عادم السيارات وما شابه ذلك.
وقال جوزيف هيرمانز، مؤلف الدراسة المشارك وأستاذ الهندسة الميكانيكية والفضائية والباحث البارز في تقنية النانو في جامعة ولاية أوهايو: “الحرارة المهدرة مهمة حقًا. كان هناك بحث دائم لتحسين كفاءة جميع المحركات التي تنتج الطاقة من الحرارة – مقدار العمل الذي يمكنك الحصول عليه منها والذي يمكنك استخدامه”. وأضاف: “لوقت طويل، كنا نحلم بالعثور على محركات صغيرة، لا تحتوي على أجزاء متحركة، يمكنها تحمل الحرارة وتوليد الكهرباء”.
والآن لديهم
توصل معظم المواد نوعًا واحدًا فقط من الشحنات، مما يتسبب في أن تتكون معظم الأجهزة الكهروحرارية من مركبات متعددة – ومع ذلك فإن تعقيد الاتصال بها أعاق الجهود المبذولة لبناء مولد كهربائي حراري كفؤ وفعال، يسهل بناؤه ويمكنه تحمل درجات الحرارة المرتفعة.
وقبل عامين، اكتشف فريق البحث هذا خصائص غير متوقعة في مركب مختلف سمح للإلكترونات والثقوب، ومصادر الشحنات السالبة والموجبة، على التوالي، التي تولد تيارًا كهربائيًا، بالمرور على طول ما قد يشبه طريقًا سريعًا بين الشمال والجنوب لشحنة وطريق سريع بين الشرق والغرب لشحنة أخرى. وبعد هذا الاكتشاف، قام الباحثون بمراجعة الأبحاث الموجودة حول البلورات الأخرى التي وجدها علماء آخرون للقيام بنفس الشيء.
وقال غولدبرجر: “لقد اهتممنا بهذا لأننا في البداية لم ندرك أنه يمكن أن يكون موجودًا. وعندما اكتشفنا أنه يمكن أن يكون موجودًا، كنا نضغط حقًا للعثور على هذه المواد”. وحتى الآن، أكدوا بشكل تجريبي وجود 15 مادة بهذه الخصائص – من بين أكثر من 110,000 بنية بلورية تم اكتشافها وفهرستها في قاعدة بيانات دولية.
وقال ولفجانج ويندل، أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة ولاية أوهايو والمؤلف المشارك للدراسة: “تم اكتشاف القليل منها، ولكن لم يتم استغلال أي منها من أجل الوظيفية. ما وجدناه هو أنه يمكننا فعلًا فعل شيء بها”.
وتابع: “كل ما علينا للقيام به هو وضع الأسلاك إلى نهاية واحدة، وتوجيه الكريستال بطريقة معينة وفجأة لدينا مولدات الطاقة مع عدم وجود أجزاء متحركة. وتجعلها دافئة مع أي نفايات حرارة كالتي تكون في منزلك أو سيارة أو صاروخ، وهذا سوف يولد طاقة خالية من الانبعاثات من تلقاء نفسه وبشكل أساسي إلى ما لا نهاية. إنه يشبه إلى حد ما السحر الأسود بالنسبة لي”.
ومن الناحية النظرية، يمكن ان يوضع المولد المصنوع من هذا المركب للاستخدام في أي مكان يتم توليد الحرارة فيه – يمكن أن يكون حجم البلورة متغيرًا – وفي هذه الدراسة تم تحديد حجم الفرن الذي نمت فيه.
وقال هيرمانز إن المولد يمكنه إنتاج ما يكفي من الكهرباء من عادم السيارة لدفع السيارة إلى الأمام، لكنه يفضل فكرة استخدام هذه التكنولوجيا على نطاق أصغر: “التطبيقات الأصغر حجمًا هي الأماكن التي لا يتم فيها الترحيب بالحلول المعقدة لأنها باهظة الثمن”، كما قال. وأضاف: “هذا هو المكان الذي من المحتمل أن يكون فيه حل بسيط مثل هذا هو الأفضل”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2021-05-gold-standard-compound-electricity.html
لمزيد من المعلومات: ميتشل سكودر وآخرون، Highly efficient transverse thermoelectric devices with Re4Si7 crystals, Energy & Environmental Science (2021). DOI: 10.1039/D1EE00923K
