Te meglátogathatatlan kempinghelyre utazol, elegendő felszereléssel megtöltve, és elegendő felszereléssel töltöd be a tartalmat egy háromnapos visszavonuláshoz a kaotikus városi élettől. De ha készen áll a távozásra, rájössz, hogy nemcsak meghalt a mobiltelefonja, az akkumulátora egy jel keresése után töltötte az egész időt, amikor durva volt, de nem is emlékszik arra, hogy hol utazott, amelyikbe azt jelenti, hogy a telefonod GPS-je visszament a valósághoz. Szerencsére a főzőedénybe beépített új anyag miatt csak annyit kell tennie, hogy bekapcsolja az edényt, felmelegíti a vizet a belsejében, és dugja be a telefont a hozzá csatlakoztatott portba. Néhány óra alatt a telefon fel lesz töltve, és biztonságosan visszajuttathatja a terepjáróba parkolt teherautóra.
Az Utah-i Egyetem kutatói nemrégiben felfedezték, hogy a nem mérgező anyag, amely három kémiai elemből - kalciumból, kobaltból és terbiumból áll - termoelektromos energiát termel a hulladékhőből. Ha a Ca3Co4Og-ot egy forró réteg, például főzőedény és egy hideg réteg között szendvicselik, mint például az edényben lévő ételt vagy vizet, a forró végű töltés a hideg végén áthalad és villamos feszültséget generál.
Az energiát hőelektromos eljárással állítják elő hőmérsékleti különbségek felhasználásával. Ebben az esetben Shrikant Saini, az anyagtudomány és a műszaki posztdoktor kutató szerint a hőmérsékleti különbség akár egy fokú érzékelhető feszültséget is eredményez.
"Termoelektromos anyagokban, amikor az anyag egyik vége forró, a másik vége hideg, a töltőhordozók a forró végtől az anyagon keresztül a hideg végére mozognak, és ezzel villamos feszültséget generálnak" - mondja Saini, a közelmúltban a cikk vezető szerzője közzétették a Scientific Reports-ban . "Néhány milligramm ezt az anyagot nagyjából mikrotatt elektromos árammal fogja biztosítani."
Mivel az anyag ilyen új felfedezés, Saini azt mondja, hogy közelebb vannak a pontos grammok elemzéséhez a watt méréshez; durva becslésük azonban azt mutatja, hogy egy wattos teljesítmény előállításához kb. öt gramm anyag szükséges.
Ebben a grafikában a forró kályha hője, a hűtőben lévő hidegebb vízzel vagy ételekkel párosítva, elegendő áramot termelhet a mobiltelefon töltéséhez. (Ashutosh Tiwari) Egy régi közmondás arra figyelmeztet bennünket, hogy „ne pazarolj, ne akarj”. De a hulladékot - az energia pazarlást - bonyolult begyűjteni. Az Egyesült Államokban energiafogyasztásunk közel fele elveszik a hatékonyság hiánya miatt, és az energia nagy részét továbbra is megújíthatatlan kőolajból, földgázból és szénből állítják elő. A Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium által összeállított amerikai energiatérkép szerint a napenergia, nukleáris, víz, szél, geotermikus energia, földgáz, szén, biomassza és kőolaj 2013-ban előállított, 97, 4 kvadrillió brit hőegység (vagy négyes) nyers energiája, csak 38, 4 kvadrát használtak. Ez azt jelenti, hogy 59 quadot vesztegettek el. A pazarolt energia összegyűjtésének és felhasználásának módjának megtalálása fenntartható forrást jelenthet a jövő számára.
„A hulladékhő valóban nagymértékben figyelmen kívül hagyott, ám mégis hatalmas lehetséges energiatartalék” - mondja Jeffrey Urban, a Berkeley Labs molekuláris öntödéjének szervetlen létesítmény igazgatója. "A termoelektromos rendszerek ígéretes útmutatást jelentenek az erőforrás kiaknázására és kiaknázására - közvetlenül átalakítják a hőt villamos energiává, mozgó alkatrészek, munkafolyadékok vagy egyéb mechanikai összetettség nélkül."
Urban megjegyzi, hogy a hatékonyság, az anyagköltségek és a könnyű megvalósítás mind fontos műszaki szempont, és hozzáteszi: „A komplex szállítási fizika miatt a termoelektromos készülékek optimálisan működnek csak egy adott hőmérsékleten.”
A korábbi termoelektromos anyagösszetételek kadmiumból, telluridból vagy higanyból álltak, amelyek mind az emberekre mérgezőek voltak, és Saini kutatása szerint nem voltak olyan stabilak, mint a Ca3Co4Og kombináció. Ezenkívül a korábbi termoelektromos anyagok nem méretezhetők, mivel azok egykristályok gyártásával vagy előállításával származtak, ami ugyanakkor drága és kihívást jelent. A Saini kémiai kombinációja lehetővé teszi ennek a hőelektromos technológiának a széles körű alkalmazását, mivel a vegyi anyagok könnyen hozzáférhetők a keveréshez és főzéshez a nem mérgező anyag előállításához, megkönnyítve így a gyártást nagyobb tételekben. Ez a felfedezést lehetséges játékváltóvá teszi.
"Várjuk, hogy ennek az anyagnak sok felhasználása van" - mondja Saini. Az Utah-i Egyetem szabadalmat kért. Saini nem tud felfedni néhány konkrét részletet, de hozzáteszi, hogy az újfajta anyag felhasználható ékszerekben, főzőedényekben és autókban, vagy akár jövőbeli orvosi alkalmazásokban is felhasználhatók.
A hőelektromosság - vagy a hőmérsékleti különbségek révén előállított villamos energia - 1821-ben származott, amikor Thomas Seebeck és Jean Peltier felfedezte a hő villamos energiává történő átalakulását. Három évtizeddel később, 1851-ben, William Thomson (más néven Lord Kelvin) felfedezte, hogy egy elektromos áram áramlása egy anyagon keresztül melegítheti vagy hűtheti azt, az elektronok diffúziójának függvényében. Azóta a mező tovább fejlődött, mivel a tudósok azon dolgoznak, hogy a hőelektromos energiát skálázható technológiává hozzák.
Joshua Zide, a Delaware-i Egyetem anyagtudományi és mérnöki egyetemi docens, ritkaföldfémeket, különösen a terbiumot tanulmányoz, amely Saini felfedezéséhez a kémiai elem-kombináció része. Azt mondja, hogy a terbium nem feltétlenül olyan bőséges, ahogyan azt a kutatók javasolják, bár a kémiai összetételben felhasznált mennyiség nagy mennyiségeket tehet felfelé.
"A [terbium] valójában sokkal gyakoribb, mint a tellúr, amelyet általában termoelektromosan használnak, de valójában kissé ritka" - mondja Zide. "Ez az utóbbi években jelentős áremelkedéseket eredményezett, mivel mind a hőelektromos, mind a CdTe napelemek [a kadmium-tellurid fotovoltaikus napelemek - a második leggyakoribb a piacon] iránti igények növekedtek."
Saini szerint ez a hőelektromos technológia közel tíz évbe telt, amíg meg nem valósult, azzal a céllal, hogy hatékony anyagot hozzon létre, mielőtt a csapat bio-barátságosvá tette volna a végső igényeit. Miután a terméket szabadalmaztatják, szeretnék bevezetni a kereskedelembe. "Ezen a ponton csak azt mondhatjuk, hogy az autókban sok hulladék hő fordul elő, amelyet felhasználhatunk villamos energiává való átalakításra" - mondja Saini.
A hőelektromos energia jövője ígéretes, különösen ezzel az új felfedezéssel. Art Gossard, a kaliforniai Santa Barbara Egyetem anyag-, villamos- és számítógépes mérnöki professzora professzora úgy véli, hogy az új technológiának a jövőbeni alkalmazásai lehetnek a katonai haladásban, különös tekintettel az összes elektromos hajóra.
"A kazánokból és a reaktorokból származó hő felhasználásával villamos energiát termelhet, amely azután hajtja az elektromos motort, és nyomja az elektromos hajót" - mondja Gossard. „Ennek a hajónak az az előnye, hogy nem hagy hátra egy forró vizet, ami megkönnyíti a nyomon követést. De ehhez megawatt teljesítményre lenne szükség, és a termoelektromos energiát még nem fejlesztették ki ilyen mértékben. "
Ezzel az anyaggal talán odaérünk.
