Mokslo ir technologijų pasaulis

Termoelektrinis reiškinys, dar kitaip vadinamas Peltier‘io-Seebeck‘o efektu, yra dvikryptis procesas, kuris susideda iš tiesioginio temperatūros skirtumo konversijos į elektros energiją ir atvirkščiai. Per pastaruosius 60 metų mokslininkai tyrinėjo medžiagas, kurios galėtų veiksmingai paversti šilumą energija, tačiau jų pastangos buvo bevaisės. Dabar nauji Masačiusetso technologijos instituto (MIT) paskelbti tyrimai rodo, kad naujoji medžiaga gali žymiai padidinti termoelektriškumo potencialą. Naujoji medžiaga yra penkis kartus efektyvesnė ir gali generuoti du kartus didesnį energijos kiekį, lyginant su šiuo metu esančiomis perspektyviausiomis termoelektrinėmis medžiagomis.

„Jei viskas bus taip kaip kol kas tėra tik mūsų drąsiausiose svajonėse, tada staiga daugelis dalykų, kurie šiuo metu yra pernelyg neefektyvus, taps gerokai efektyvesni“ – spaudos pranešime sakė tyrimo vadovas, MIT Elektronikos tyrimų laboratorijos mokslininkas, Brian‘as Skinner‘is.

„Galite kai kurių žmonių automobiliuose aptikti mažą termoelektrinį įrenginį, kuris panaudoja variklio skleidžiamą šilumą baterijų įkrovimui. Arba tokie įrenginiai gali būti įrengti aplink branduolines ar anglies elektrines ir jų skleidžiama šiluma paverčiama elektros energija bei tiekiama į bendrą elektros tinklą“ – pridūrė Brian‘as Skinner‘is.

Kaip medžiaga gamina energiją priklauso nuo to, kaip jos elektronai reaguoja į temperatūros pokyčius. Iki šiol mokslininkų tyrinėjamos medžiagos demonstravo labai ribotą termoelektrinę galią, nes kylant temperatūrai yra itin sunku kontroliuoti elektronus.

Norėdami išspręsti šią problemą, Skinner‘is su kolegomis atsigręžė į topologinius pusmetalius, naujas laboratorijoje sukurtas medžiagas, turinčias konfigūraciją, kuri leidžia šylantiems elektronams lengvai pereiti į aukštesnį energijos lygį. Šie topologiniai pusmetaliai atrodė daug žadantys, nes neigiamai įkrauti elektronai peršoko į aukštesnį energijos lygį, bet, deja, sukūrė teigiamo krūvio daleles, neutralizuojančias elektronų duodamą naudą.

Tuomet mokslininkai nusprendė pasinaudoti Prinstono universiteto atlikto selenido tyrimu, kuriame nustatyta, kad termoelektrinės generacijos padidėjimas atsiranda esant labai padidėjusiems (35 teslos) magnetiniams laukams. Skinner‘io komanda panaudojo duomenis iš šio tyrimo, kad galėtų, atsižvelgdami į skirtingas temperatūras ir magnetinius laukus, modeliuoti naujos medžiagos termoelektrinį elgesį.

„Galiausiai mes išsiaiškinome, kad esant stipriam magnetiniam laukui prasideda gana juokingi dalykai – elektronai juda link šaltosios pusės, o skylės link karštosios pusės. Jie dirba kartu ir iš principo galime gauti gerokai didesnę įtampą iš tos pačios medžiagos vien tik padidindami magnetinį lauką“ – teigė Skinner‘is.

Jis šiuo atveju „skylėmis“ vadina neigiamai įkrautus elektronus, kurie perėję į aukštesnį energijos lygmenį palieka po savęs teigiamai įkrautas daleles. Įprastai, teigiamai įkrautos dalelės taip pat kaupiasi šaltesnėje pusėje ir panaikina elektronų duodamą efektą bei galiausiai sukuria labai mažus energijos kiekius, todėl toks magnetinio lauko sukurtas efektas yra itin džiugi žinia.

Visgi, šiuo metu šie topologiniai pusmetaliai gali demonstruoti aukštas termoelektrines savybes tik esant labai dideliems magnetiniams laukams, kurie gali būti sukurti tik keletoje pasaulio vietų. Dabar komanda nori, kad ši „ekstremaliai švari“ medžiaga būtų išbandyta realiomis sąlygomis, o ne vien tik laboratorijoje. Jie taip pat žiūri ir į kitas, dar tinkamesnes medžiagas su panašiomis savybėmis, tad netolimoje ateityje galime tikėtis ir daugiau gerų žinių iš MIT mokslininkų.