Atık ısıyı elektriğe dönüştüren yeni nesil malzeme

Sanayide enerji verimliliğini artırmaya ve karbon emisyonlarını azaltmaya yönelik Ar-Ge çalışmaları sürerken, Tokyo Bilim Enstitüsü araştırmacıları atık ısının elektriğe dönüştürülmesine yönelik yeni bir termoelektrik malzeme geliştirdi. Ekip, atomik ölçekteki ince filmlerin yüksek iletkenlik özelliklerini, pratik kullanıma uygun katı bir kristal yapı içinde birleştirdi. Yeni malzeme; fabrika egzozları, otomotiv motorları, enerji santralleri ve endüstriyel fırınlar gibi yüksek sıcaklık üreten sistemlerde açığa çıkan atık ısının doğrudan elektriğe çevrilmesini amaçlıyor.

İKİ ZIT ÖZELLİK AYNI YAPIDA BULUŞTU

Termoelektrik malzemelerin verimli çalışabilmesi için elektriği iyi iletirken sıcaklık farkını koruyacak şekilde ısıyı düşük düzeyde iletmesi gerekiyor. Ancak doğadaki iletken malzemelerin büyük bölümü ısıyı da hızla taşıdığı için elektrik üretim verimliliği sınırlı kalıyor. Japon araştırmacılar bu sorunu aşmak amacıyla talyum, demir ve selenyumdan oluşan TlFe₁.₆Se₂ bileşimine odaklandı. Malzemenin iç yapısında, üç boyutlu katı kristal kafesin içine son derece ince demir selenit tabakaları yerleştirildi. Bu mimari sayesinde ultra ince filmlerin yüksek elektrik iletim özelliği, işlenmesi ve ölçeklendirilmesi daha kolay olan katı blok yapı içinde yeniden oluşturuldu.

ATOMİK BOŞLUKLAR ISI İLETİMİNİ AZALTTI

Geliştirilen kristal yapının temel özelliklerinden biri, bazı noktalarda demir atomlarının bilinçli olarak eksik bırakılması oldu. Demir boşluklarının oluşturduğu düzensiz atomik yapı, ısının fonon adı verilen atomik titreşimler aracılığıyla kristal içinde yayılmasını sınırlandırdı. Titreşimlerin dağılması ve bağların kesintiye uğraması sonucunda malzemenin ısı iletkenliği önemli ölçüde azaldı. Laboratuvar testlerinde malzeme, 180 santigrat derecede metre-kelvin başına yaklaşık 0,2 watt termal iletkenlik gösterdi. Bu değer, malzemenin elektriksel tepki üretirken sıcaklık farkını da koruyabildiğini ortaya koydu.

TİCARİLEŞME İÇİN YENİ TESTLER GEREKİYOR

Teknoloji şimdilik laboratuvar ortamında ortaya konulan bir konsept kanıtı niteliği taşıyor. Malzemenin endüstriyel tesislere ve araç motorlarına entegre edilerek ticari kullanıma sunulabilmesi için bazı teknik ve operasyonel sorunların aşılması gerekiyor. Çalışmanın başyazarı Prof. Takayoshi Katase, “Bu çalışma, düşük boyutlu malzemelerin işlevselliğinin büyük kristallerin içine yerleştirildiği yeni bir tasarım yaklaşımının etkinliğini göstermektedir. Sonuçlar, elektriksel ve termal iletim özellikleri arasındaki geleneksel ödünleşmelerin üstesinden gelen yeni nesil termoelektrik malzemelerin geliştirilmesi için umut verici bir yol sunmaktadır” dedi. Teknolojinin seri üretime geçebilmesi için dönüşüm verimliliğinin artırılması, uzun vadeli kararlılığın sağlanması, üretim maliyetlerinin düşürülmesi ve malzemedeki talyumun toksik yapısına karşı gerekli endüstriyel güvenlik önlemlerinin geliştirilmesi gerekiyor.