إيهاب محمد زايد – مصر
تحول ما يسمى بالمولدات الكهروحرارية الحرارة المهدرة إلى كهرباء دون إنتاج انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، مما يوفر ما يبدو أنه وجبة غداء مجانية. ولكن على الرغم من المساعدة في تشغيل مركبات المريخ الجوالة ، إلا أن التكلفة العالية لهذه الأجهزة حالت دون استخدامها على نطاق واسع. الآن ، وجد الباحثون طريقة لصنع أجهزة كهرو حرارية رخيصة تعمل تمامًا مثل النوع الغالي الثمن. يمكن أن يمهد هذا العمل الطريق لجيل جديد من محركات السيارات والأفران الصناعية وغيرها من الأجهزة المولدة للطاقة.
على مدار العقدين الماضيين ، أنتج الباحثون مواد كهروحرارية مع زيادة ZTs. جاء الرقم القياسي في عام 2014 عندما توصل عالم المواد في جامعة نورث وسترن ، ميركوري كاناتزيديس ، وزملاؤه إلى بلورة واحدة من سيلينيد القصدير مع ZT بقيمة 3.1. ومع ذلك ، كانت المادة صعبة الصنع وهشة للغاية للعمل معها. يقول كاناتزيديس: “بالنسبة للتطبيقات العملية ، فهي ليست بداية”.
أشار إلي هذا Robert F. Service بمجلة العلوم الأمريكية AAAS
يقول Li-Dong Zhao ، عالم المواد في جامعة Beihang الذي لم يشارك في العمل: “تبدو هذه طريقة ذكية جدًا لتحقيق الأداء العالي”. ويلاحظ أنه لا يزال هناك بضع خطوات أخرى يجب اتخاذها قبل أن تصبح هذه المواد مولدات كهربائية حرارية عالية الأداء. ومع ذلك ، يقول ، “أعتقد أنه سيتم استخدام هذا في المستقبل غير البعيد.”
الأجهزة الكهروحرارية هي أجهزة شبه موصلة توضع على سطح ساخن ، مثل محرك السيارة الذي يعمل بالغاز. هذا يمنحهم جانبًا ساخنًا وجانبًا باردًا ، بعيدًا عن السطح الساخن. إنهم يعملون باستخدام الحرارة لدفع الشحنات الكهربائية من واحدة إلى أخرى. إذا سمح الجهاز للجانب الساخن بتسخين الجانب البارد ، تتوقف الكهرباء عن التدفق. نجاح الجهاز في منع هذا ، بالإضافة إلى قدرته على توصيل الإلكترونات ، يغذي النتيجة المعروفة برقم الجدارة ، أو ZT.
لذلك ، قرر فريقه أن يصنع كهروحراريًا من مساحيق القصدير والسيلينيوم المتاحة بسهولة ، والتي بمجرد معالجتها ، تصنع حبيبات من القصدير متعدد الكريستالات سيلينيد بدلاً من البلورات المفردة. تعتبر الحبيبات متعددة البلورات رخيصة الثمن ويمكن تسخينها وضغطها في سبائك يبلغ طولها من 3 إلى 5 سنتيمترات ، والتي يمكن تحويلها إلى أجهزة. تعتبر السبائك متعددة البلورات أكثر قوة أيضًا ، وتوقع كاناتزيديس أن الحدود بين الحبيبات الفردية تبطئ مرور الحرارة. ولكن عندما اختبر فريقه المواد متعددة الكريستالات ، ارتفعت الموصلية الحرارية ، مما أدى إلى انخفاض درجات ZT إلى 1.2.
في عام 2016 ، اكتشف فريق Northwestern مصدر المشكلة: جلد شديد الرقة من أكسيد القصدير كان يتشكل حول حبيبات فردية من سيلينيد القصدير متعدد الكريستالات قبل ضغطها في سبائك. وكان هذا الجلد بمثابة ممر صريح تنتقل فيه الحرارة من الحبوب إلى الحبوب عبر المادة. لذلك ، في دراستهم الحالية ، توصل كاناتزيديس وزملاؤه إلى طريقة لاستخدام الحرارة لإبعاد أي أكسجين عن المواد المسببة للمساحيق ، تاركًا سيلينيد القصدير متعدد الكريستالات البكر.
النتيجة ، التي أبلغوا عنها اليوم في Nature Materials ، لم تكن فقط موصلية حرارية أقل من تلك الموجودة في سيلينيد القصدير أحادي البلورة ولكن أيضًا ZT تبلغ 3.1. يقول كاناتزيديس: “يفتح هذا الباب أمام أجهزة جديدة يتم بناؤها من كريات القصدير السيلنيدي متعددة الكريستالات واستكشاف تطبيقاتها”.
العبور من هذا الباب سيستغرق بعض الوقت إن سيلينيد القصدير متعدد الكريستالات الذي يصنعه الفريق مسنن بذرات الصوديوم ، مكونًا ما يعرف باسم مادة “من النوع p” التي توصل شحنات موجبة. لصنع أجهزة عمل ، يحتاج الباحثون أيضًا إلى إصدار “من النوع n” لإجراء الشحنات السالبة.
أبلغ فريق Zhao مؤخرًا عن صنع سيلينيد القصدير أحادي البلورة من النوع n عن طريق ضربه بذرات البروم. ويقول كاناتزيديس إن فريقه يعمل الآن على صنع نسخة متعددة البلورات من النوع n. بمجرد إقران أجهزة سيلينيد القصدير من النوع n والنوع p ، يجب أن يكون لدى الباحثين مسار واضح لصنع جيل جديد من المولدات الكهروحرارية فائقة الكفاءة. يمكن تركيبها في كل مكان من أنابيب عادم السيارات إلى سخانات المياه والأفران الصناعية لتنظيف بعض من 65٪ من طاقة الوقود الأحفوري التي تتحول إلى حرارة مهدرة.
More Stories
الرائد أحمد فريد عبد الخالق.. حضور أمني يجمع بين الحزم والإنسانية داخل مركز شرطة تلا
يوم اليتيم بآداب المنوفية… احتفالية إنسانية بروح العيد ترسم البهجة في قلوب الأطفال
مروة أبوسالم حين تتحول الإنسانية إلى رسالة والإعلام إلى نور يصنع الأمل