بهبود کارایی ادوات ترموالکتریک

محققان آمریکایی موفق شدند با استفاده نانوکامپوزیت‌ها کارایی ادوات ترموالکتریک را افزایش دهند. با این کار دامنه کاربرد آنها افزایش می‌یابد.

از قرن ۱۹ به بعد، آزمایشگاه‌های مختلفی در سراسر جهان روی ادوات ترموالکتریک کار می‌کنند ادواتی که یا در اثر تغییر مکانیکی جریان الکتریکی تولید می‌کنند یا با استفاده از جریان الکتریکی حرکت مکانیکی ایجاد می‌کنند. اخیرا کارایی آنها به‌نحوی تغییرکرده که می‌توان از آنها در حوزه‌های مختلفی استفاده کرد برای مثال به عنوان سیستم خنک کننده در صندلی خودروها از این ادوات استفاده می‌شود. یکی بهترین کاربردهای این ادوات در جمع‌آوری حرارت از دست رفته در موتورهای خودروها است.

اخیرا یک گروه تحقیقاتی در موسسه فناوری ماساچوست و دانشگاه روتگر موفق شده‌اند تا کارایی این ادوات را افزایش دهند، با این کار مسیر استفاده بیشتر از این ادوات هموار می‌شود. این پروژه توسط گانگ چن استاد رشته مهندسی مکانیک، مونا زبرجدی و کیوان اسفارجانی انجام شده و نتایج آن در نشریه Advanced Materials. به چاپ رسیده است. 

هرچند که ادوات ترموالکتریکی از اواسط دهه ۱۹۵۰ به‌صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفته است اما کارایی آن موجب محدود شدن دامنه کاربرد این ادوات شده است. یکی از موفقیت‌ها در این حوزه مربوط به اوایل دهه ۱۹۹۰ بود که در آن سال محققانی از مرکز درسل‌هاوس با حمایت مالی نیروی دریایی آمریکا موفق شدند از مواد ترموالکتریک ساخت سیستم خنک کننده زیردریایی استفاده کنند. چن و همکارنش در این پروژه مشارکت داشتند.

این گروه تحقیقاتی دریافت که مواد نانومقیاس می‌توانند خواص بسیار متفاوتی از آنچه که مواد توده‌ای دارند، داشته باشد. نتایج پژوهش‌های آنها نشان داد که نانوکامپوزیت‌ها قادرند کارایی ادوات ترموالکتریک را بهبود دهند. نانوکامپوزیت ماده‌ای است که در آن نانوذرات درون ساختاری دیگر قرار داده شده است. این گروه ابعاد، دانسیته و ترکیب شیمیایی نانوذرات را درون نانوکامپوزیت تغییر دادند تا بتوانند بیشترین کارایی را در مواد ترموالکتریک ایجاد کنند.

مدل‌سازی‌های کامپیوتری نشان می‌دهد که این ماده جدید می‌تواند پارامترهای تعیین کننده در سیستم‌های ترموالکتریک را بهبود دهد: هدایت الکتریکی بالا، هدایت گرمایی پایین و بهینه سازی ضریب سیبک. ضریب سیبک عددی است که نشان می‌دهد چه مقدار گرما به الکتریسیته تبدیل می‌شود.

این گروه تحقیقاتی نشان داد که نانوذرات به کار رفته در این کامپوزیت مانعی بر سر راه حرکت الکترون‌ها نخواهد بود. همچنین آنها ثابت کردند که در صورت قرار دادن نانوذرات درون یک ساختار دیگر ( ایجاد نانوکامپوزیت) جریان الکترونی بهبود خواهد یافت، در واقع هدایت الکتریکی سیستم بهبود می‌یابد.