روش بهتر توليد برق از منابع گرمايى

ستاد ويژه توسعه فناورى نانو: معمولاً ۷۰ درصد انرژى موتور خودروها از طريق گرمايى كه توليد مى كنند به هدر مى رود. اما دانشمندان استراليايى و اورگان (Oregon) راهكار مؤثرى يافته اند كه نه تنها موجب بازيابى اين انرژى از دست رفته مى شود؛ بلكه در درازمدت توانايى و قابليت توليد برق از گرماى درون زمين را ايجاد مى كند. بنابراين از نانوسيم هاى بسيار نازك كه داراى پتانسيلى با بازده بيش از دو برابر مواد ترموالكتريك هستند استفاده مى شود. به گفته «هينر لينك»، استاديار فيزيك دانشگاه اورگان، كه با مؤسسه ميكروتكنولوژى و نانوعلم اورگان (ONAMI) همكارى دارد، اگر همه چيز به خوبى پيش رود مى توان به زودى كاربرد چنين دستگاه هاى ترموالكتريك نانوساختارى را در مواردى چون چرخه بازيافت گرماى توليد شده در موتور خودروها، خنك سازى ريزپردازنده كامپيوتر ها و يخچال هاى فشرده تر و كم سروصداتر خانگى شاهد بود.
لينك وهمكارش «تامى هامفرى» از اعضاى شوراى تحقيقات استراليا نتايج يافته هاى خود را در كنفرانس ابزارهاى نانومقياس و تجميع سيستم ها كه در هوستون برگزار شد ارائه كردند. بخش مرور مقالات مجله «نيچر» كه به صورت آن لاين هم قابل دسترسى است ضمن شگفت انگيز خواندن كار اين دو محقق، آن را پيشرفتى قابل توجه نسبت به ترموالكتريك هاى توده اى فعلى دانسته است.
مسئله جالب توجه آن است كه اين دو دانشمند دريافته اند كه دو ماده در عين دارا بودن دمايى متفاوت مى توانند در مقياس نانو با يكديگر در حال تعادل گرمايى باشند و اين واقعيتى است كه با قوانين فيزيك سازگارى ندارد، اما براى عملكرد خاص مورد نظر اين دانشمندان كه كاربرد گسترده فناورى ترموالكتريك در توليد برق و سرماسازى را موجب مى شود، بسيار ضرورى و حياتى است.
اگر يك فنجان داغ را روى نيمكتى قرار دهيد پس از مدتى گرماى خود را از دست داده سرد مى شود تا با نيمكتى كه روى آن قرار دارد به تعادل گرمايى برسد. به عبارت ديگر اين يك اصل مسلم ترموديناميكى است كه هميشه گرما از محيط گرم به سرد جريان مى يابد و البته در اين بين مقدارى انرژى هم تلف مى شود.
دانشمندان به دنبال آن هستند تا با استفاده از مواد ترموالكتريك اين انرژى تلف شده را بازيابى كرده و به الكتريسيته تبديل كنند و اين كار تنها در صورتى موفقيت آميز است كه بتوان جريان گرما را تحت كنترل درآورد، كارى كه هامفرى و لينك موفق به انجام آن شده اند.
به گفته لينك ايده اصلى در اين روش استفاده از دو حالت غيرتعادلى - با اختلاف دما - است. لينك و هامفرى نشان داده اند كه با اعمال ولتاژ بر يك سيستم الكتريكى و وجود اختلاف دما در آن مى توان الكترون هاى با انرژى مشخص مورد نظر را در آن سيستم به كار گرفت. بنابراين اگر يك ماده نانوساختار طورى طراحى شده باشد كه تنها به الكترون هاى با انرژى خاص مورد نظر ما اجازه عبور دهد به نوع جديدى از تعادل دست يافته ايم كه اين بار بر خلاف تعادل هاى ترموديناميكى معمول الكترون ها به خودى خود نمى توانند از محيط گرم به سرد جريان يابند.
هامفرى چنين توضيح مى دهد: اين توازن ظريف مى تواند كاربرد هاى عملى بسيار زيادى داشته باشد زيرا با محقق شدن چنين تعادل جديدى، ابزارهاى ترموالكتريكى كه براى تبديل گرما به انرژى الكتريكى مفيد از روش اتصال الكتريكى نواحى سرد و گرم در يك نيمه رسانا استفاده مى كنند، مى توانند حتى در نزديكى نقطه تعادل هم كار كنند و اين نياز كليدى براى افزايش بازده اين ابزارها و رسيدن به حد كارنو است كه حداكثر بازده ممكن يك ماشين گرمايى است. از آنجا كه سيستم در حال تعادل است جريان الكترون ها برگشت پذير بوده و با توجه به اين برگشت پذيرى است كه دستگاه مى تواند به حداكثر بازده ممكن برسد.
تاكنون دستگاه هايى از اين قبيل كه بخش متحركى نداشته و آنقدر كوچك بوده است تا بتوان آنها را روى يك ريزتراشه جاى داد بازده بسيار پايين - كمتر از ۱۵ درصد حد كارنو براى توليد برق - داشته اند و لذا جز در مواردى خاص و محدود كاربرد نداشتند.
اساس طرح لينك و هامفرى يافتن ساختار باندى الكترونيكى مناسب در مواد ظريف ترموالكتريكى است كه از تعداد بسيار زيادى نانوسيم تشكيل شده اند. با انجام اين طرح دستگاه هاى ترموالكتريك نانوساختارى ايجاد شده به اين روش بازدهى نزديك به ۵۰ درصد حد كارنو خواهند داشت.
با كمك چنين موادى است كه توليد الكتريسيته از گرماى درون زمين و يا از گرماى خروجى موتور خودروهاى تركيبى، امكان پذير مى شود.
لازم به ذكر است كه اين تحقيق موفق به دريافت جايزه بنياد ملى علوم آمريكا شد.