تبدیل حرارت تلف شده به برق به کمک نانوساختارها
به گزارش ستاد ویژه توسعه فناوری نانو ریاست جمهوری،ماده ترموالکتریک قطعه جامدی است که انرژی گرمایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. برخلاف ماشین های گرمایی رایج که دارای اجزای متحرکی هستند، مواد ترموالکتریک هیچ قسمت متحرکی ندارد و کاملاً بی صدا عمل می کند.
این مولدهای برق به مدت 30 سال بدون نیاز به نگهداری و تعمیر در کاوش های طولانی فضایی مورد استفاده قرار گرفته اند. ترموالکتریک ها در مقایسه با ماشین های گرمایی رایج بازدهی کمتری دارند، اما برای کاربردهای کوچک که توان الکتریکی بالایی مورد نیاز نیست، می تواند مفید باشد. در سال های اخیر تلاش هایی در زمینه افزایش بازدهی تبدیل انرژی این مواد صورت گرفته است.
دکتر اشکان ذوالریاستین محقق دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی با اشاره به ساختارهای قفس مانند در رابطه با اهداف دنبال شده در این طرح گفت: هدف از انجام این طرح توسعه مواد ترموالکتریکی دارای هدایت حرارتی پایین و هدایت الکتریکی بالا بوده است. ترکیبات با ساختار قفسی شکل به دلیل ریزساختار منحصربه فردشان می توانند این خاصیت را برای ما ایجاد کنند. به علاوه افزودن نانوذرات به این ساختارها و ایجاد ریزساختار نانوکامپوزیتی می تواند این خاصیت را ارتقا بخشد.
وی افزود:به کمک این نانوساختارهای کامپوزیتی می توان هزینه های مربوط به اتلاف انرژی حرارتی را تا حد زیادی کاهش داد. به علاوه با تبدیل حرارت اتلافی به برق می توان تا حدودی از مصرف سوخت های فسیلی و آلودگی هوا نیز جلوگیری به عمل آورد.این نانوساختارهای آزمایشگاهی را می توان در نیروگاه های حرارتی تولید برق، اگزوز خودروها و مبدل های حرارتی ترکیبی به کار گرفت.
ذوالریاستین در ادامه ساختار اتمی مواد قفسی شکل را تشریح کرد و در خصوص سازوکار رفتار ترموالکتریک این ساختارها تصریح کرد:ساختار اتمی این ترکیبات به گونه ای است که اتم ها چارچوبی قفس مانند را برای یک اتم سنگین ایجاد می کند. انتقال حرارت درون این ماده و عبور فنون ها و الکترون ها، اتم سنگین حبس شده درون قفس اتمی را به لرزه در می آورد و این موضوع کاهش انتقال حرارت و افزایش خواص ترموالکتریک را به دنبال دارد. کاهش ابعاد این قفس ها و یا ایجاد ساختار نانوکامپوزیتی منجر به افزایش چشمگیر خاصیت ترموالکتریک این ترکیبات می شود.
به گفته وی در طرح حاضر ترکیبات با ساختار قفس مانند با اتم حبس شده باریوم در قفس ایجاد شده با اتم های سیلیسیوم یا ژرمانیوم به صورت نانوکریستال، نانوسیم و نانوکامپوزیت حاوی نانوذرات سرامیکی یوروپیوم تیتانات و کاربید سیلیسیوم با روش های مختلف سنتز شده اند.
ذوالریاستین افزود:فرایندهای مورد استفاده جهت سنتز این ترکیبات آلیاژسازی مکانیکی، پرس گرم، ریسندگی مذاب، پلاسما جرقه ای و پرتو یونی متمرکزشده بوده است. تأثیر پارامترهای فرایند بر روی اندازه، ریزساختار، خواص فیزیکی و خاصیت ترموالکتریکی مورد بررسی قرار گرفته است.
این تحقیقات حاصل تلاش های دکتر اشکان ذوالریاستین – محقق پسادکترای دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی- و پژوهشگرانی از کشورهای اتریش، آلمان و سوئیس است.
نتایج این کار در مجله ی Physica Status Solidi (جلد 213، شماره ی 3، سال 2016، صفحات 784 تا 801) به چاپ رسیده است.
