Wędrujesz do nieuchwytnego miejsca biwakowego, wypełnionego wystarczającą ilością sprzętu, abyś był zadowolony z trzydniowego odosobnienia od chaotycznego życia w mieście. Ale kiedy jesteś gotowy do wyjścia, zdajesz sobie sprawę nie tylko, że Twój telefon komórkowy zmarł, jego bateria zużyła się po poszukiwaniu sygnału przez cały czas, gdy go wykańczałeś, ale nie możesz sobie przypomnieć, gdzie się wybrałeś, co oznacza, że GPS w telefonie jest liną ratunkową z powrotem do rzeczywistości. Na szczęście ze względu na nowy materiał wbudowany w garnek do gotowania, wystarczy włączyć garnek, podgrzać wodę w środku i podłączyć telefon do podłączonego do niego portu. W ciągu zaledwie kilku godzin telefon zostanie naładowany i możesz bezpiecznie zabrać go z powrotem do ciężarówki zaparkowanej na szlaku.
Naukowcy z University of Utah niedawno odkryli, że nietoksyczny materiał złożony z trzech pierwiastków chemicznych - wapnia, kobaltu i terbu - wytwarza energię termoelektryczną z ciepła odpadowego. Poprzez umieszczenie Ca3Co4Og pomiędzy warstwą gorącą, taką jak garnek do gotowania, a warstwą zimną, jak jedzenie lub woda w garnku, ładunek z gorącego końca przemieszcza się przez zimny koniec, wytwarzając napięcie elektryczne.
Energia jest wytwarzana w procesie termoelektrycznym z wykorzystaniem różnic temperatur. W tym przypadku Shrikant Saini, badacz materiałów i inżynierii, post-doc badacz, twierdzi, że nawet jeden stopień różnicy temperatur wytwarza wykrywalne napięcie.
„W materiałach termoelektrycznych, gdy jeden koniec materiału jest gorący, a drugi koniec jest zimny, nośniki ładunku z gorącego końca przemieszczają się przez materiał do zimnego końca, wytwarzając napięcie elektryczne”, mówi Saini, główny autor artykułu opublikowane w raportach naukowych . „Kilka miligramów tego materiału dostarczy około mikrowata energii elektrycznej.”
Ponieważ materiał jest tak nowym odkryciem, Saini mówi, że są w trakcie analizy dokładnych gramów do pomiaru watów; jednak ich przybliżone szacunki pokazują, że do wytworzenia jednego wata mocy potrzeba około pięciu gramów materiału.
Na tej grafice ciepło z gorącego pieca, w połączeniu z chłodniejszą wodą lub jedzeniem w garnku do gotowania, może wytworzyć wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby naładować telefon komórkowy. (Ashutosh Tiwari) Stare przysłowie ostrzega nas, aby „nie marnować, nie chcieć”. Ale marnotrawstwo - marnotrawstwo energii - jest trudne do uchwycenia. W USA prawie połowa naszej energii jest tracona z powodu nieefektywności, a większość naszej energii jest nadal wytwarzana z nieodnawialnej ropy naftowej, gazu ziemnego i węgla. Według amerykańskiego wykresu energetycznego opracowanego przez Lawrence Livermore National Laboratory z 97, 4 biliardów brytyjskich jednostek termicznych (lub quadów) surowej energii wytworzonej w 2013 roku z energii słonecznej, jądrowej, wodnej, wiatrowej, geotermalnej, gazu ziemnego, węgla, biomasy i ropy naftowej, faktycznie użyto tylko 38, 4 quadów. Oznacza to, że zmarnowano 59 quadów. Znalezienie sposobu na gromadzenie i wykorzystanie tej zmarnowanej energii może zapewnić zrównoważone zasoby na przyszłość.
„Ciepło odpadowe jest rzeczywiście w dużej mierze pomijane, a jednocześnie ogromnym rezerwuarem możliwej energii”, mówi Jeffrey Urban, dyrektor zakładu nieorganicznego w odlewni molekularnej w Berkeley Labs. „Termoelektryka to obiecująca droga do wykorzystania i wykorzystania tego zasobu - bezpośrednio zamieniają ciepło w energię elektryczną bez ruchomych części, płynów roboczych lub innej złożoności mechanicznej”.
Urban zauważa, że wydajność, koszty materiałów i łatwość wdrożenia są ważnymi zagadnieniami inżynierskimi, dodając: „Ze względu na złożoną fizykę transportu termoelektryczne zwykle działają optymalnie tylko w jednej określonej temperaturze”.
Poprzednie kompozycje materiałów termoelektrycznych składały się z kadmu, tellurku lub rtęci - pierwiastków, które wszystkie były toksyczne dla ludzi i według badań Saini nie były tak stabilne jak kombinacja Ca3Co4Og. Również wcześniejsze materiały termoelektryczne nie były skalowalne, ponieważ zostały uzyskane z produkcji lub wytwarzania monokryształów, co jest zarówno drogie, jak i trudne. Kombinacja chemiczna Saini może pozwolić na zastosowanie tej technologii termoelektrycznej na dużą skalę, ponieważ chemikalia są łatwo dostępne do zmieszania i gotowania w celu uzyskania nietoksycznego materiału, co ułatwia produkcję w większych partiach. To sprawia, że odkrycie to może zmienić grę.
„Przewidujemy wiele zastosowań tego materiału”, mówi Saini. University of Utah złożył wniosek o patent. Saini nie jest w stanie ujawnić pewnych konkretnych szczegółów, ale dodaje, że nowo znaleziony materiał może być stosowany w biżuterii, garnkach do gotowania i samochodach - a nawet może mieć przyszłe zastosowania medyczne.
Termoelektryczność - lub energia elektryczna wytwarzana przez różnice temperatur - powstała w 1821 r., Kiedy Thomas Seebeck i Jean Peltier odkryli przekształcenie ciepła w elektryczność. Trzy dekady później, w 1851 r., William Thomson (znany również jako Lord Kelvin) odkrył, że przepływ prądu elektrycznego przez materiał może go podgrzać lub ochłodzić, w zależności od sposobu rozproszenia elektronów. Od tego czasu pole ewoluuje, ponieważ naukowcy pracują nad wprowadzeniem termoelektryczności do skalowalnej technologii.
Joshua Zide, profesor nadzwyczajny inżynierii materiałowej na Uniwersytecie w Delaware, bada pierwiastki ziem rzadkich, zwłaszcza terb, który jest częścią kombinacji pierwiastków chemicznych do odkrycia Saini. Mówi, że terb niekoniecznie jest tak obfity, jak sugerują naukowcy, chociaż ilość zastosowana w składzie chemicznym może sprawić, że duże ilości będą sporne.
„[Terb] jest w rzeczywistości znacznie bardziej powszechny niż tellur, który jest powszechnie stosowany w termoelektryce, ale w rzeczywistości jest dość rzadki”, mówi Zide. „Doprowadziło to do znacznego wzrostu cen w ostatnich latach, ponieważ popyt wzrósł zarówno w przypadku ogniw termoelektrycznych, jak i CdTe solar [fotowoltaiczne ogniwa fotowoltaiczne z kadmem - drugie najpopularniejsze na rynku]”.
Saini mówi, że ta technologia termoelektryczna zajęła prawie dziesięć lat, a jej początkowym celem było stworzenie wydajnego materiału, zanim zespół dodał bio-przyjazny do swoich ostatecznych wymagań. Gdy produkt zostanie opatentowany, chcą wprowadzić go na rynek. „W tym momencie możemy jedynie powiedzieć, że w samochodach jest dużo ciepła odpadowego, które można wykorzystać do przetworzenia na energię elektryczną”, mówi Saini.
Przyszłość energii termoelektrycznej jest obiecująca, szczególnie dzięki temu nowemu odkryciu. Art Gossard, emerytowany profesor materiałów i inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, uważa, że nowa technologia może mieć przyszłe zastosowania w postępach militarnych, zwłaszcza na statku całkowicie elektrycznym.
„Można wykorzystać ciepło pochodzące z kotłów i reaktorów do wytworzenia energii elektrycznej, która napędza silnik elektryczny i popycha statek elektryczny” - mówi Gossard. „Ten statek miałby tę zaletę, że nie zostawia za sobą pióropuszu gorącej wody, co ułatwia śledzenie. Wymagałoby to jednak megawatów mocy, a termoelektryczność nie jest jeszcze tak rozbudowana. ”
Z tym materiałem być może się tam dostaniemy.
