این قطعات کریستالی جدید، گرما را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند؛ تولید برق خودرو با ترمز گرفتن؟

دانشمندان موفق شدند با استفاده از کریستال‌های متشکل از مواد ارزان، ایمن و در دسترس، روشی جدید را برای تبدیل گرما به الکتریسیته کشف کنند.

برای تبدیل گرما به الکتریسیته، موادی در دسترس مانند نمونه‌های خام بی‌ضرر، چشم‌انداز جدیدی را در توسعه مواد ایمن و ارزان به نام «مواد ترموالکتریک» به وجود آورده‌اند. بر اساس مطالعه‌ای که در مجله Angewandte Chemie منتشر شده است، یک کانی مس مصنوعی از طریق تغییرات ساده در ترکیب خود، ساختار و ریزساختار پیچیده‌ای به دست می‌آورد و در نتیجه پایه و اساس خواص مورد نظر را ایجاد می‌کند.

ماده مصنوعی جدید، از مس، منگنز، ژرمانیوم و گوگرد تشکیل شده است و طی یک فرآیند نسبتا ساده تولید می‌شود. امانوئل گیلومو، محقق CNRS در آزمایشگاه CRISMAT واقع در کان فرانسه که مسئولیت این تحقیق را برعهده دارد، گفت:

پودرها به سادگی از طریق آسیاب گلوله‌ای شکل، به‌ صورت مکانیکی آلیاژ می‌شوند تا فازی از پیش کریستال شده را تشکیل دهند که تا 600 درجه سانتی‌گراد متراکم می‌شوند. این فرآیند را می‌توان به راحتی در مقیاس بزرگ‌تر نیز انجام داد.

مواد ترموالکتریک، گرما را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. این امر به ویژه در فرآِیندهای صنعتی که در آن گرمای اتلاف شده به عنوان نیروی الکتریکی ارزشمند به صورت مجدد استفاده می‌شود، مفید است. رویکرد معکوس در اینجا، خنک کردن قطعات الکترونیکی مانند نمونه‌های موجود در گوشی‌های هوشمند یا اتومبیل است. مواد مورد استفاده در این نوع کاربری‌ها علاوه بر کارآمدی، باید ارزان و مهم‌تر از همه برای سلامتی ایمن باشند.

با این حال، دستگاه‌های ترموالکتریک مورد استفاده تا به امروز، از عناصر گران‌قیمت و سمی مانند سرب و تلوریم استفاده می‌کنند که بهترین راندمان را برای تبدیل گرما به الکتریسیته ارائه می‌دهند. امانوئل گیلمو و تیمش برای یافتن جایگزین‌های ایمن‌تر، به مشتقاتی از کانی‌های سولفیدی طبیعی مبتنی بر مس روی آورده‌اند. این مشتقات معدنی عمدتا از عناصر غیرسمی و فراوان تشکیل شده‌اند و برخی از آنها دارای خواص ترموالکتریکی هستند.

اکنون، این تیم موفق به تولید یک سری مواد ترموالکتریک شده که دو ساختار کریستاکی را در یک ماده نشان می‌دهد. گیلمو در تشریح کشف تیم خود می‌گوید:

ما از نتیجه بسیار شگفت‌زده شدیم. معمولا تغییر جزئی ترکیبات، تاثیر اندکی بر ساختار این دسته از مواد دارند.

محققات دریافتند که جایگزینی بخش کوچکی از منگنز با مس، ریزساختارهای پیچیده‌ای با نانودامنه‌های به هم پیوسته، نقص‌ها و رابط‌های منسجم ایجاد می‌کند که بر خواص انتقال ماده برای الکترون‌ها و گرما تاثیر می‌گذارد.

امروزه تولید انرژی حاصل از ترمز و تبدیل آن به برق، در صنعت خودروسازی به ویژه فرمول یک نیز کاربرد دارد، با این حال، فناوری مذکور هزیه بالایی دارد و ممکن است در آینده این کریستال‌های ارزان با کاهش هزینه، در خودروهای الکتریکی نیز به شکلی وسیع‌تر مورد استفاده قرار گیرند.

گیلمو در ادامه افزود که مواد جدید تولید شده تا 400 درجه سانتی‌گراد پایداری دارند، که در محدوده دمای اتلاف حرارت اغلب صنایع است. او باور دارد که بر اساس این کشف، مواد ترموالکتریک ارزان‌تر و غیر سمی‌تر، برای تبدیل گرما به الکتریسیته، می‌توانند جایگزین مواد مشکل‌ساز، گران و سمی شوند.