Araştırmacılar, Atık Isıyı Elektriğe Dönüştürüp Küçük Cihazları Güçlendirmek İçin Yeni Bir Yol Buldu
İnce, demir bazlı bir jeneratör, az miktarda güç sağlamak için atık ısıyı kullanır.
Araştırmacılar, toksik olmayan bir malzeme ile ısı enerjisini elektriğe dönüştürmenin bir yolunu buldular. Malzeme çoğunlukla göreceli bolluğu göz önüne alındığında oldukça ucuz olan demirdir. Bu malzemeye dayanan bir jeneratör, uzaktan sensörler veya giyilebilir cihazlar gibi küçük cihazlara güç verebilir. Malzeme ince olabilir, böylece çeşitli biçimlerde şekillendirilebilir.
Serbest öğle yemeği veya serbest enerji diye bir şey yoktur. Ancak, enerji talepleriniz yeterince düşükse, örneğin bir tür küçük bir sensör söz konusu olduğunda, gücünüzü kablo veya pil olmadan sağlamak için ısı enerjisinden yararlanmanın bir yolu vardır. Demir esaslı termoelektrik malzemelerle, Araştırmacı Akito Sakai ve Tokyo Üniversitesi Katı Hal Fiziği Enstitüsü ve Fizik Bölümünde, Profesör Satoru Nakatsuji liderliğindeki laboratuvarından ve Profesör Ryotaro Arita liderliğindeki Uygulamalı Fizik Bölümü’nden grup üyeleri bu konuda adımlar attı.
Nakatsuji, “Şimdiye kadar, termoelektrik üretimi üzerine yapılan tüm çalışmalar yerleşik ancak sınırlı Seebeck etkisine odaklandı” dedi. “Bunun aksine, anormal Nernst etkisi (ANE) adı verilen nispeten daha az tanıdık bir fenomene odaklandık.”
ANE, uygun bir malzemenin yüzeyi boyunca bir sıcaklık eğiminin yönüne dik bir voltaj üretir. Bu fenomen, termoelektrik jeneratörlerin tasarımını basitleştirmeye ve doğru malzemeler daha kolay elde edilebilir hale gelirse dönüşüm verimliliklerini artırmaya yardımcı olabilir.
“Doping adı verilen bir işlemle yüzde 75 demir ve yüzde 25 alüminyum (Fe3Al) veya galyum (Fe3Ga) bir malzeme yaptık” dedi Sakai. “Bu ANE’yi önemli ölçüde artırdı. Katkısız numunelere kıyasla voltajda yirmi kat bir sıçrama gördük, bu da heyecan verici. ”
Bu, ekip ilk kez ANE’yi göstermedi, ancak önceki deneylerde demirden daha az elde edilebilir ve daha pahalı malzemeler kullanıldı. Bu cihazın çekiciliği kısmen düşük maliyetli ve toksik olmayan bileşenleridir, aynı zamanda çeşitli uygulamalara uyacak şekilde kalıplanabilmesi için ince film formunda yapılabilmesidir.
Sakai, “Şimdi oluşturabileceğimiz ince ve esnek yapılar, Seebeck etkisine dayanan jeneratörlerden daha verimli enerji toplayabilir” dedi. “Keşfimizin, giyilebilir cihazlara, pillerin pratik olmadığı erişilemeyen yerlerde uzaktan algılayıcılara ve daha fazlasına güç sağlamak için termoelektrik teknolojilere yol açabileceğini umuyorum.
Son zamanlarda, malzeme bilimindeki bu tür bir gelişme, esasen hem zaman alıcı hem de pahalı olan deneylerde tekrarlanan yinelemeler ve iyileştirmelerden kaynaklanıyordu. Ancak ekip, ilk fikir ve başarı kanıtı arasındaki zamanı etkili bir şekilde azaltan sayısal hesaplamalar için hesaplama yöntemlerine büyük ölçüde güveniyordu.
“Sayısal hesaplamalar keşfimize büyük katkı sağladı; örneğin, yüksek hızlı otomatik hesaplamalar test etmek için uygun malzemeleri bulmamıza yardımcı oldu ”dedi. “Ve kuantum mekaniğine dayalı ilk prensip hesaplamaları, deneylerimiz için çok önemli olan düğümlü ağlar olarak adlandırdığımız elektronik yapıları analiz etme sürecini kısaltmaktadır.”
Arita, “Şimdiye kadar bu tür sayısal hesaplamalar çok zor oldu” dedi. “Bu yüzden sadece materyallerimizin değil, hesaplama tekniklerimizin başkaları için de yararlı araçlar olabileceğini umuyoruz. Hepimiz bir gün keşfimize dayanan cihazları görmek istiyoruz. ”
Kaynak: Akito Sakai, Susumu Minami, Takashi Koretsune, Taishi Chen, Tomoya Higo, Yangming Wang, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Shinji Miwa, Daisuke Nishio-Hamane, Fumiyuki Ishii, Ryotaro Arita ve Satoru Nakatsuji, 27 Nisan 2020, Doğa.
Bu çalışma kısmen Eğitim, Kültür, Spor, Bilim Bakanlığı’ndan Bilimsel Araştırmalar için Bilimsel Araştırmalar için Hibeler (JP15H05882 ve JP15H05883) tarafından CREST (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5) tarafından desteklenmektedir. ve Japonya’nın Teknoloji ve Japon Bilimini Geliştirme Derneği (JSPS) tarafından Bilimsel Araştırma için Yardımlar (JP16H02209, JP16H06345, JP19H00650) tarafından sağlanmıştır. İlk prensiplerin hesaplanması çalışmaları kısmen Yenilikçi Alanlar Bilimsel Araştırmalar için JSPS Yardım Yardımı (JP18H04481 ve JP19H05825) ve sosyal ve bilimsel öncelikli bir konu olarak MEXT (Yeni fonksiyonel cihazların ve yüksek performanslı malzemelerin oluşturulması) tarafından desteklenmiştir. yeni nesil endüstrileri desteklemek için) K sonrası bilgisayar (hp180206 ve hp190169) kullanılarak ele alınacaktır.