تولید برق از گرمای هدر رفته در صنعت با استفاده از تیتانیوم

به گزارش خبرنگار گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا، هنگامی که سوخت های فسیلی و سوخت های زیستی سوزانده می شوند، مقادیر زیادی از انرژی به عنوان گرمای اتلاف از بین می رود. مواد ترموالکتریک می توانند این گرما را به الکتریسیته تبدیل کنند، اما هنوز برای کاربردهای فنی کارایی کافی را ندارند. اما به تازگی تیمی از موسسه ماکس پلانک «Max Planck» اکنون با استفاده از تأثیر ریزساختار بر روی ماده و بهینه‌سازی خواص مواد با افزودن تیتانیوم، کارایی یک ماده ترموالکتریک را افزایش داده‌اند.

بحران آب و هوا ما را مجبور می کند نه تنها سوخت های فسیلی را حذف کنیم، بلکه در مصرف انرژی نیز صرفه جویی کنیم. به خصوص در جایی که هنوز جایگزینی برای سوخت های فسیلی وجود ندارد، حداقل باید به طور کارآمدی اتلاف انرژی را کاهش دهیم. برای مثال، از گرمای اتلاف نیروگاه های صنعتی یا نیروگاه های انرژی بر برق تولید کنیم.

در حال حاضر، حدود 17 درصد از انرژی مورد استفاده در صنعت اروپا به عنوان گرمای زباله از دست می رود که می توان آن را با کمک مواد ترموالکتریک مهار کرد. مواد ترموالکتریک ، زمانی که در معرض اختلاف دما قرار می گیرند، ولتاژ الکتریکی ایجاد می کنند. با این حال، ترموالکتریک های فعلی به اندازه کافی برای استفاده در مقیاس صنعتی  و بزرگ کارآمد نیستند.

یک تیم تحقیقاتی به رهبری مؤسسه ماکس پلانک موفق به بهینه سازی یک ماده ترموالکتریک شده اند که برای استفاده در مصارف صنعتی مناسب است.محققان یافته‌های خود را در مجله Advanced Energy Materials منتشر کرده اند.

این گروه از محققان آلیاژی از نیوبیم، آهن و آنتیموان را مورد مطالعه قرار دادند که گرمای اتلاف را در دماهای بین 70 تا بیش از 700 درجه سانتیگراد با راندمان هشت درصد به الکتریسیته تبدیل می کند و این آلیاژ را در حال حاضر به یکی از کارآمدترین ترموالکتریک ها تبدیل می کند. فقط یک ماده ساخته شده از بیسموت و تلوریم به مقادیر مشابهی دست می یابد. با این حال، بیسموت تلورید فقط برای استفاده در دماهای نسبتا پایین مناسب است و از نظر مکانیکی پایداری کمتری نسبت به ترموالکتریک ساخته شده از نیوبیم، آهن و آنتیموان دارد. علاوه بر این، مواد تشکیل دهنده آن کمتر در دسترس هستند.

**تیتانیوم هدایت الکتریکی را بهبود می بخشد

برای افزایش کارایی ترموالکتریک ساخته شده از نیوبیم، آهن و آنتیموان، محققان بر روی ریزساختار آن تمرکز کردند. مانند بیشتر فلزات، مواد ترموالکتریک از کریستال های ریز تشکیل شده اند. ترکیب و ساختار دانه ها و همچنین ویژگی های فضاهای بین آنها که به عنوان مرز دانه شناخته می شوند، برای هدایت حرارتی و الکتریکی مواد ترموالکتریک بسیار مهم هستند.

تحقیقات قبلی نشان داده است که مرزهای دانه ها رسانایی حرارتی و الکتریکی مواد را کاهش می دهند. برای بالاترین راندمان ممکن، هدایت حرارتی باید تا حد امکان کم باشد تا گرما، یعنی انرژی، در ماده باقی بماند. با این حال، رسانایی الکتریکی باید بالا باشد تا گرما تا حد ممکن به الکتریسیته تبدیل شود.بنابراین محققان تلاش می کنند که مرزهای دانه را به گونه‌ای بهینه کنند که فقط هدایت حرارتی کاهش یابد.

روبن بوئنو ویلورو، دانشجوی دکترا در مؤسسه ماکس پلانک می گوید: ما از میکروسکوپ های الکترونی عبوری روبشی و پروب های اتمی برای مطالعه ریزساختار آلیاژ تا سطح اتمی استفاده کردیم.تحلیل ما نشان داده است که مرزهای دانه باید بهینه شود تا خواص الکتریکی و حرارتی بهبود یابد.
سیوان ژانگ، رهبر پروژه در همان گروه تحقیقاتی توضیح می‌دهد: «هرچه دانه‌های موجود در ماده کوچک‌تر باشد، تعداد مرزهای دانه‌ها بیشتر و رسانایی الکتریکی بدتر است.افزایش اندازه دانه ها در مواد منطقی نیست، زیرا دانه های بزرگتر هدایت حرارتی را افزایش می دهد و گرما و انرژی را از دست می دهیم. بنابراین، باید راهی برای افزایش رسانایی الکتریکی با وجود کوچک بودن آن دانه ها پیدا می کردیم.

محققان این مشکل را با غنی سازی ماده با تیتانیوم حل کردند، که در مرزهای دانه تجمع می یابد و رسانایی الکتریکی را افزایش می دهد. به این ترتیب بازده ترموالکتریک آلیاژ را تا 40 درصد افزایش دادند. با این حال، برای کاربردهای عملی، راندمان باید به میزان قابل توجهی افزایش یابد.
اکنون تیم تحقیقاتی در حال تجزیه و تحلیل روش هایی برای افزودن انتخابی تیتانیوم تنها به مرز دانه ها بدون غنی سازی کل ماده با تیتانیوم هستند. این استراتژی باعث صرفه جویی در هزینه ها شده و تا حد زیادی ترکیب شیمیایی اصلی مواد ترموالکتریک را حفظ می کند. تحقیقات کنونی نشان می‌دهد که چگونه می‌توان ویژگی‌های عملکردی را به ساختار اتمی یک ماده برای بهینه‌سازی خواص ویژه مرتبط کرد.