Nuostabios medžiagos: Šilumos maitėdos žada energijos lobius

Termodinamika visados atsiriekia savo. Jos dėsniai lemia, kad daugiau, nei pusė automobiliuose, indaplovėse, fabrikuose ir kitur sunaudojamos energijos prarandama šilumos atliekų pavidalu (žr. dar „Nuostabios medžiagos: Elektronų greitkeliai“). Ir tai tik vidurkis: automobilių varikliams ši dalis yra didesnė, nei panašesnė į du trečdalius.

Netgi nedidelės dalies atgavimas iš prarandamos šilumos energijos reikštų didelį energijos efektyvumo padidėjimą. Termoelektrinės medžiagos daro būtent tai, srovę išgaudamos iš temperatūrų skirtumo. Apvyniokite termoelektrine medžiaga automobilio išmetamąjį vamzdį, ir per jį prarandama šiluma galėtų gaminti elektrą. Įdiekite termoelektrinius elementus į šaldytuvą ir iš jo vidaus išgaunama šiluma galėtų tiekti jam energiją. Suporavus juos su saulės elementais, elektrą galėtų gaminti ne tik Saulės šviesa, bet ir šiluma.

Geras derlius

Skamba pernelyg gerai, kad būtų tiesa? Kol kas, taip. Efektyviausia iki šiol sukurta termoelektrinė medžiaga, švino telūridas, nenaudojamas iš baimės ir dėl švino naudojimo elektros įrenginiuose teisinio reguliavimo. Pakeitus šviną ne tokiu toksišku jo pusbroliu bismutu, vis vien liekate priklausomi nuo svyruojančių telūro – antrinio vario kasybos produkto – kainų malonės. Dešimtmečiai tyrimų neaptiko alternatyvios termoelektrinės medžiagos, kurią apsimokėtų naudoti pramoniniu mastu.

Dar liūdniau, kad ir taip apgailėtinas daugumos termoelementų efektyvumas dar labiau sumažėja aukštoje temperatūroje, tad jie netinka, tarkime, automobilių varikliuose. Būtent čia galėtų pasitarnauti skuteruditai. Tai medžiagos, kuriose retųjų žemių elementų, pavyzdžiui, cerio ar iterbio atomai blaškosi kobalto ir stibio į narvą panašioje struktūroje – architektūrinėje įdomybėje, sugaudančioje šilumą, bet išleidžiančioje elektros srovę. Be to, kuo karščiau, tuo geriau jie veikia.

Gregory'is Meisneris vadovauja General Motors grupei, kuriančiai skuteruditus ir finansuojamai JAV Energetikos departamento. Iki 2016, jie tikisi pabaigti sunkvežimiuko prototipą, turintį termoelektrinį generatorių, semiantį išmetamųjų dujų šiluminę energiją automobilio radijo, žibintų ir kitų prietaisų energijos poreikių tenkinimui. „Termoelektrinį generatorių galima psnsudoti ir hibridinių automobilių baterijų krovimui,“ sako Meisneris.

Medžiaga dar nėra ideali: pavyzdžiui, dabar Kinija turi beveik visišką daugelio retųjų žemių elementų, monopolį, o kobaltas yra brangus ir gana retas. Anksčiau šiais metais, Osakos universiteto mokslininkai pranešė apie daug žadančius rezultatus, naudojant pigesnius elementus – nikelį ir geležį, nors pridedant talį, kitą toksišką elementą (Journal of Applied Physics, vol 115, p 023702). Meisnerio komanda taip pat naudoja šiek tiek geležies kainos sumažinimui, ir tiria, ar plačiau prieinamas kalcis galėtų iš dalies ar visiškai pakeisti retuosius žemės elementus.

Struktūrų patobulinimai taip pat geriau išnaudoja jų galimybę ištverti temperatūrą iki 550 °C, pavyzdžiui, panaudoti itin aukštose temperatūrose vykstančių procesų metu, pavyzdžiui, plieno gamyboje, išskiriamą šilumą. Tuo tarpu kiti junginiai, pavyzdžiui, egzotiškai pavadintas ličio violetinis mėlynasis, demonstruoja patrauklias termoelektrines savybes žemesnėse temperatūrose.

Progresas lėtas ir viską išsprendžiančios medžiagos tebeieškome, kaip ir viską išsprendžiančio pritaikymo, sako Jeffas Snyderis iš Kalifornijos technologijų instituto Pasadenoje. Bet kovos su termodinamika įkalnėje ir maža pagalba praverčia.

Sally Adee
New Scientist № 2990