Ameerika Ühendriikide teadlased valmistasid uue kõrgtemperatuuri materjali, mis on teiste termoelektrikutega võrreldes soojuse energiaks muutmisel ligi 60% efektiivsem. Uus nanokomposiitmaterjal on stabiilne temperatuuridel kuni 700 °C, tänu millele saaks seda kasutada autode kütuseefektiivsuse tõstmiseks, kasutades ära sõiduki heitgaaside soojusenergiat.
Pool-Heuslerite abil saaks kasulikult ära kasutada autode väljalasketorude lisaenergiat. Pilt:Steevven1/Wikipedia
Materjalidena, mis muudavad soojuse otse energiaks, kõlavad termoelektrikud globaalse energiatarbimise vähendamisel vägagi kasulikuna. Lisaks autodes kasutamisele saaks nende abil energiaks muuta ka tuumajaamades tekkiva jääksoojuse. Teiste rakenduste seas on ka näiteks päikesepaneelide efektiivsuse tõstmine ning arvutikiipide ja muude elektrooniliste seadmete jahutamine, kirjutab physicsworld.com.
Et neist oleks aga ka praktilist kasu, peavad termoelektrilised materjalid olema head elektrijuhid kuid halvad soojusjuhid. Neil peab olema ka suur termovõimsus – pinge ja materjali kui terviku temperatuurierinevuse suhe. Need kolm nõudmist väljenduvad termoelektrilises väärtuses ZT. Iga praktiline materjal peab lisaks olema võimeline töötama sobival temperatuuril, mis autode väljalasketorude puhul võib olla kuni mitusada kraadi.
Ühtedeks paljulubavateks termoelektriliste materjalide grupiks on ,,pool-Heuslerid,” mis on mitmete metalliliste elementide robustsed sulamid. Nende puuduseks on aga võrdlemisi suured soojusjuhtivused. Üheks viisiks nende soojusjuhtivust vähendada on suruda kokku sellest materjalist valmistatud pulber, saades nii paljudest väikestest terakestest koosnev nanokomposiidi. Et soojusel on raske läbida terakestevahelist ruumi, vähendab see terve nanokomposiidi soojusjuhtivust.
Xiao Yang ning kolleegid Bostoni Kolledžist, MIT-st, Virginia Ülikoolist ning Clemsoni Ülikoolist kasutasid just seda tehnikat, et valmistada erakordselt peen pulber,mis on seni parima ZT näitajaga pool-Heusler. Töörühm võttis esmalt pool-Heusleri Zr0.5Hf0.5CoSb0.8Sn0.2 valatud kangi, mis seejärel 5 ja 10 nanomeetristega osakestega pulbri valmistamiseks purustati. Seejärel pressiti pulber kuumuse ja suure rõhu all millimeetri skaalas pulkadeks ja ketasteks. Seda tehti väga hoolikalt, et viia lõpptootes nanoosakeste kokkukleepumisel tekkivate suuremate terakeste arv miinimumi.
Pool-Heusleri nanokomposiidi terakestest tehtud mikrofoto. Pilt: Xiao Yan
Saadud tahkiste keskmine terakese suurus oli 100-200 nanomeetrit. Kuigi see oli suurem kui esialgsel pulbril, oli see sarnastest materjalidest varem valmistatud pulbrite terakestest 10 korda väiksem. Mõõtes nanokomposiidi termovõimsust ja ka elektri- ning soojusjuhtivust, leiti, et selle ZT oli 700 °C juures 0,8, mis on ligi 60% kõrgem kui senivalmistatud parimatel pool-Heusler termoelektrikutel.
Kõrge ZT saamise üheks põhjuseks oli fakt, et komposiidi soojusjuhtivus oli ligi 30% väiksem kui selle valmistamiseks vaja läinud valatud kangil. Lisaks suurendas ZT väärtust nanokomposiidi soojusvõimsuse väike suurenemine. Mõlemad need efektid kompenseerisid väikese languse materjali elektrijuhtivuses, mis oleks muidu ZT väärtust vähendanud.
Yani sõnul suurendasid termovõimsust ilmselt terade piiridel valikuliselt hajunud madalaenergialised laengukandjad, suurendades materjalis nii enamuslaengukandjate energiat.
Kuigi teiste termoelektriliste materjalide ZT väärtused on suuremad kui 1, töötavad need enamasti pool-Heusleritest madalamatel temperatuuridel. Yani sõnul on uue materjali teisteks eelisteks suurepärane soojusstabiilsus ning suur mehaaniline tugevus, samuti pole see mürgine ning on odav. Autojuhtidele on see hea uudis. ,,Võttes ZT väärtuseks 0,8, saaks kütusekulu vähendada ligi 10% võrra,” leidis Yan. Samuti arvas ta, et pool-Heusler termoelektrikuid saaks kasutada ka Päikese soojusest elektri saamisel.
Michigani Ülikooli teadlase Akram Boukai sõnul on samuti pool-Heuslerid autode väljalasketoru rakendusteks head kandidaadid. ,,Pool-Heusler materjalidel on energia saamisel väga potentsiaalikad, sest nende elektroonilisi ja soojuslikke omadusi saab vajadusel muuta,” ütles ta.
Järgnevalt on teadlastel lisaks pool-Heusleri keemilise koostise optimiseerimisele plaanis pressitud materjali terakeste suurust veelgi vähendada. ,,Kui pressimisel saaks terakeste suurust hoida alla 100 nanomeetri, võime oodata kõrgemat ZT näitajat ning väiksemat soojusjuhtivust,” võttis Yan asja kokku.
Aitäh. Parandatud.
S.