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.
В фильме 2015 года МарсианинАстронавт Марк Уотни (Мэтт Дэймон) выкапывает закопанный термоэлектрический генератор, чтобы использовать источник энергии в качестве обогревателя.
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.
«Первопроходец в социальных сетях. Музыкальный наркоман. Злой студент. Интроверт. Типичный любитель пива. Экстремальный веб-ниндзя. Телевизионный фанатик».
More Stories
В России никто не смеется над романом Яннуччи «Смерть Сталина». Россия
Фильмы по сказкам о принцессах, снятые в России
Общественная вещательная корпорация Онтарио не будет транслировать документы о российских солдатах из-за протеста TIFF