تولد الخلايا الحرارية الكهرباء من الحرارة الكامنة - عالم الفيزياء

كشف باحثون في اليابان النقاب عن "خلية حرارية" جديدة تولد جهدًا من خلال استغلال انتقالات الطور المرتبطة بدرجة الحرارة في زوج من الأقطاب الكهربائية. تابي يامادا في جامعة طوكيو وزملاؤه يأملون أن تؤدي تقنيتهم ​​الجديدة إلى تطوير طرق جديدة لإعادة تدوير الحرارة المهدرة.

عندما ينشأ اختلاف في درجة الحرارة عبر التقاطع بين مادتين موصلتين مختلفتين ، يتم إنشاء جهد عبر التأثير الكهروحراري. اليوم ، يتم استكشاف هذه الظاهرة لإمكانية حصاد الطاقة من تدرجات درجات الحرارة الطبيعية ، وإعادة تدوير الحرارة المهدرة من المركبات ومحطات الطاقة ومعالجات الكمبيوتر.

استكشف فريق يامادا في بحثهم التأثير الكهروحراري باستخدام الخلايا الحرارية. هذه هي الأجهزة التي تستغل التأثير باستخدام تفاعلات الاختزال والأكسدة (الأكسدة) ، حيث يكتسب نوع من الذرات أو الجزيئات الإلكترونات أو يفقدها لأنواع أخرى.

"الخلايا الحرارية هي أنظمة تحويل كهروحرارية تتكون من محلول من الجزيئات التي تظهر تفاعل الأكسدة والاختزال ؛ إنهم يولدون طاقة كهربائية من خلال الاستفادة من التحول في توازن تفاعل الأكسدة والاختزال استجابة لدرجة الحرارة ، "يشرح يامادا.

ردود الفعل المحرضة

إذا حدث اختلاف في درجة الحرارة بين أقطاب الخلية الحرارية ، فيمكن أن يؤدي ذلك إلى تفاعل أكسدة في أحد الأقطاب ، وتفاعل اختزال في القطب الآخر - مما يؤدي إلى توليد جهد كهربائي بينهما.

في بحثهم السابق ، بحث يامادا وزملاؤه كيف يمكن للتغييرات الكيميائية والفيزيائية المختلفة في أقطاب الخلية الحرارية أن تحسن كفاءتها. يقاس هذا بمعامل سيبيك - الذي يربط حجم جهد الخلية الحرارية بفرق درجة الحرارة بين أقطابها.

في أحدث دراستهم ، كشف الباحثون النقاب عن تصميمهم الأكثر كفاءة حتى الآن - والذي يعتمد على هيدروجيل مصنوع من بوليمر PMIPAM. يوضح يامادا: "لقد ركزنا على" انتقال الكرة اللولبية "لهذه البوليمرات. "تتسبب هذه الخاصية في تمدد سلاسل البوليمر وفصلها عند درجات حرارة منخفضة ، ولكنها تصبح كروية وتتحد عند ارتفاع درجة الحرارة."

هذا التحول هو مرحلة انتقالية متميزة: في شكلها الملفوف الممتد ، تكون جزيئات PMIPAM المؤكسدة محبة للماء ، مما يؤدي إلى جذب جزيئات الماء نحوها. عندما تتحول إلى كريات مخفضة ، تصبح كارهة للماء - تطلق جزيئات الماء المحيطة بها.

فرصة واعدة

بالنسبة لفريق Yamada ، يمثل هذا الانتقال الطور الناتج عن درجة الحرارة فرصة واعدة لتوليد الكهرباء من الحرارة الكامنة. هذه هي الطاقة التي تمتصها الجزيئات أو تطلقها أثناء انتقالها من مرحلة إلى أخرى.

حتى عندما يكون فرق الطاقة بين المرحلتين صغيرًا جدًا ، يمكن أن تولد الخلية الحرارية جهدًا عاليًا بشكل مثير للإعجاب بين قطبين يحتويان على جزيئات مؤكسدة ومختزلة. يقول يامادا: "كما هو متوقع ، حصلنا على معامل سيبيك كبير في المنطقة المعتدلة حيث يحدث انتقال الملف الكروي".

أعلى كفاءة الخلايا الحرارية 40 في المائة

أظهر الفريقان أيضًا العملية العكسية: توليد فرق في درجة الحرارة بين قطبين من خلال تطبيق تيار.

يأمل الباحثون أن تمهد نتائجهم الطريق لجيل جديد من الخلايا الحرارية عالية الأداء التي تعمل بالحرارة الكامنة لتحولات الطور. ومع ذلك ، كما يوضح يامادا ، لا يزال هناك مجال كبير للتحسين. يقول: "هناك العديد من المواد الأخرى التي تعرض انتقالات الطور". "طالما يمكننا منحهم نشاط الأكسدة والاختزال ، فيمكن استخدامها في الخلايا الحرارية."

مع التحسينات المستقبلية ، يمكن للخلايا الحرارية الكهروكيميائية أن تحسن بشكل كبير قدرتنا على إعادة تدوير الحرارة المهدورة. سيكون هذا مفيدًا بشكل خاص في تكييف الهواء والتبريد - حيث تظهر تدرجات درجة حرارة قوية بين المساحات التي يتم تبريدها ، والمناطق التي يتم فيها إخراج الحرارة المفقودة.

يمكن أن يساعد تحويل بعض هذه الطاقة المهدرة إلى كهرباء في خفض الاستهلاك الكلي للطاقة لأنظمة التبريد هذه ، وبالتالي ، بصمتها الكربونية الكبيرة.

تم وصف البحث في المواد المتقدمة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/thermocell-generates-electricity-from-latent-heat/