Как открытие, сделанное 195 лет назад, может построить будущее энергетики

необходимость Переход к чистой энергии очевиден, срочен и неизбежен. Мы должны ограничить глобальное потепление до 1,5 ° C, чтобы избежать наихудших последствий изменения климата — особенно серьезной проблемы перед лицом постоянно растущего глобального спроса на энергию.

Отчасти ответ заключается в более эффективном использовании энергии. Более 72 процентов Вся энергия, производимая в мире, теряется в виде тепла. Например, двигатель используется в автомобиле. Всего около 30 процентов Бензин, который горит для движения машины. Остальное рассеивается в виде тепла.

Восстановление даже крошечной части этой потерянной энергии окажет огромное влияние на изменение климата. В этом могут помочь термоэлектрические материалы, которые преобразуют отходящее тепло в полезное электричество.

До недавнего времени признание этого материала было медленным. Мои коллеги и я использовали квантовые вычисления — подход к компьютерному моделированию для прогнозирования свойств материалов — чтобы ускорить этот процесс и идентифицировать более 500 термопластов, которые могут преобразовывать избыточное тепло в электричество и помогают повысить энергоэффективность.

Преобразование тепла в электрическую энергию термоэлектрическими материалами основано на эффекте Зеебека. В 1826 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек Наблюдаемый Воздействие различных температур на торчащие концы кусков разнородных металлов приводило к возникновению магнитного поля, которое позже было признано вызванным электрическим током.

Вскоре после того, как это было обнаружено, Термометаллические генераторы предназначены для преобразования тепла от газовых плит в электрический ток.. Но, как оказалось, Металлы демонстрируют только слабый эффект Зеебека. Не очень эффективен при преобразовании тепла в электричество.

В 1929 году русский ученый Авраам Айви Это произвело революцию в области термоэлектричества. Обратите внимание, что полупроводники — материалы, способные проводить электричество между металлами (такими как медь) и изоляторами (такими как стекло), — демонстрируют гораздо больший эффект Зеебека, чем металлы, повышая термоэлектрическую эффективность в 40 раз, От 0,1 процента до четырех процентов.

Это открытие привело к разработке первого широко используемого термоэлектрического генератора, Русская лампа Керосиновая лампа нагревает термоэлектрический материал для питания радио.

Мы приехали? — Сегодня термоэлектрические приложения варьируются от производства электроэнергии до космические зонды к Устройства охлаждения в переносных холодильниках. Например, космические исследования питаются от радиоизотопных термоэлектрических генераторов, Преобразование тепла естественного разложения плутония в электричество. в фильме марсианин Например, ящик с плутонием спас жизнь персонажу Мэтта Дэймона, согрев его на Марсе.

Несмотря на такое огромное разнообразие приложений, широкое коммерческое использование термоэлектрических материалов все еще ограничено из-за их низкой эффективности.

Что им мешает? Необходимо учитывать два основных фактора: проводящие свойства материала и его способность поддерживать разницу температур, что позволяет вырабатывать электричество.

Лучшие термоэлектрические материалы будут иметь электронные свойства полупроводника и плохую теплопроводность стекла. Но это уникальное сочетание свойств не встречается в материалах природного происхождения. Мы должны это спроектировать.

Найти иголку в стоге сена — В последнее десятилетие появились новые стратегии конструирования термоэлектрических материалов благодаря более глубокому пониманию лежащей в их основе физики. в Недавнее исследование в природные материалыИсследователи из Сеульского национального университета, Аахенского университета и Северо-Западного университета сообщают, что они разработали материал под названием селенид олова с самыми высокими термоэлектрическими характеристиками на сегодняшний день, почти вдвое больше, чем 20 лет назад. Но им потребовалось почти десять лет, чтобы стать лучше.

Чтобы ускорить процесс открытия, мы с коллегами использовали квантовые вычисления для поиска новых термоэлектрических кандидатов с высокой эффективностью. Мы провели поиск в базе данных тысяч материалов, чтобы найти материалы с высокими электронными качествами и низким уровнем теплопроводности на основе их химических и физических свойств. Эти идеи помогли нам найти лучшие материалы для синтеза, тестирования и расчета их термоэлектрической эффективности.

Мы почти находимся в точке, где термоэлектрические материалы могут найти широкое применение, но сначала нам необходимо разработать более эффективные материалы. С таким множеством возможностей и переменных поиск пути вперед похож на поиск крошечной иголки в огромном стоге сена.

Так же, как металлоискатель может воткнуть иголку в стог сена, квантовые вычисления могут ускорить открытие термоэлектрических материалов. Такие расчеты могут точно предсказать электронную и теплопроводность (включая эффект Зеебека) для тысяч материалов и Раскройте скрытые и чрезвычайно сложные взаимодействия между этими свойствами., что может повлиять на эффективность материала.

Для крупномасштабных приложений потребуются недорогие, нетоксичные и легкодоступные термоэлектрические материалы. Свинец и теллур присутствуют в современных термоэлектрических материалах, но их стоимость и негативное воздействие на окружающую среду делают их хорошими объектами для замены.

Квантовые вычисления могут применяться для поиска определенных групп материалов с использованием таких параметров, как редкость, стоимость и эффективность. Хотя эти расчеты могут выявить оптимальные термоэлектрические материалы, синтез материалов с желаемыми свойствами остается проблемой.

Многосторонние усилия с участием государственных лабораторий и университетов в Соединенных Штатах, Канаде и Европе открыли более чем 500 ранее неоткрытых предметов Ожидаемый высокий термоэлектрический КПД. Я и мои коллеги находимся в процессе экспериментального исследования термоэлектрических характеристик этих материалов, и мы уже обнаружили новые источники с высокой термоэлектрической эффективностью.

Эти предварительные результаты убедительно свидетельствуют о том, что больше квантовых вычислений могут определить наиболее эффективные комбинации материалов для производства чистой энергии из отработанного тепла и предотвращения надвигающейся катастрофы над нашей планетой.

Эта статья была изначально опубликована Беседа Ян-Хендрик П.öhls в Университете Макмастера. Прочтите Оригинальная статья здесь.