ترموسل از گرمای نهان الکتریسیته تولید می کند - دنیای فیزیک

ترموسل از گرمای نهان الکتریسیته تولید می کند - دنیای فیزیک

تمبر زمانی: 4 اوت 2023، 9:57 صبح

ترموسل بر اساس واکنش های ردوکس
در آزمایشگاه: ترموسل آزمایشی در دانشگاه توکیو. (تقدیم: Teppei Yamada)

یک «ترموسل» جدید که با بهره‌برداری از انتقال فاز مرتبط با دما در یک جفت الکترود، ولتاژ تولید می‌کند، توسط محققان ژاپنی رونمایی شد. تپه یامادا در دانشگاه توکیو و همکارانش امیدوارند که فناوری جدید آنها بتواند به توسعه روش‌های جدیدی برای بازیافت گرمای زباله منجر شود.

هنگامی که یک اختلاف دما در محل اتصال بین دو ماده رسانای مختلف ایجاد می شود، یک ولتاژ از طریق اثر ترموالکتریک ایجاد می شود. امروزه، این پدیده به دلیل پتانسیل آن برای برداشت انرژی از گرادیان دمای طبیعی، و برای بازیافت گرمای هدر رفته از وسایل نقلیه، نیروگاه‌ها و پردازنده‌های کامپیوتری مورد بررسی قرار می‌گیرد.

در تحقیقات خود، تیم یامادا اثر ترموالکتریک را با استفاده از ترموسل ها بررسی کردند. اینها وسایلی هستند که از این اثر با استفاده از واکنش‌های کاهش-اکسیداسیون (اکسیداسیون ردوکس) بهره‌برداری می‌کنند، که به موجب آن یک گونه از اتم‌ها یا مولکول‌ها الکترون‌ها را به گونه‌ای دیگر می‌گیرند یا از دست می‌دهند.

ترموسل‌ها سیستم‌های تبدیل ترموالکتریکی هستند که از محلولی از مولکول‌ها تشکیل شده‌اند که واکنش ردوکس را نشان می‌دهند. یامادا توضیح می دهد که آنها با بهره گیری از تغییر در تعادل واکنش ردوکس در پاسخ به دما، انرژی الکتریکی ایجاد می کنند.

واکنش های برانگیخته شده

اگر اختلاف دما بین الکترودهای ترموسل رخ دهد، می‌تواند باعث واکنش اکسیداسیون در یک الکترود و واکنش کاهش در الکترود دیگر شود و ولتاژی بین آنها ایجاد شود.

یامادا و همکارانش در تحقیقات قبلی خود بررسی کردند که چگونه تغییرات شیمیایی و فیزیکی مختلف در الکترودهای ترموسل می تواند کارایی آنها را بهبود بخشد. این با ضریب Seebeck آنها اندازه گیری می شود - که بزرگی ولتاژ ترموسل را به اختلاف دمای بین الکترودهای آن مرتبط می کند.

در جدیدترین مطالعه خود، محققان از کارآمدترین طرح خود رونمایی کردند که بر پایه هیدروژل ساخته شده از پلیمر PMIPAM است. یامادا توضیح می‌دهد: «ما روی «انتقال کویل-گلبول» این پلیمرها تمرکز کردیم. این خاصیت باعث می‌شود که زنجیره‌های پلیمری در دماهای پایین کشیده و جدا شوند، اما وقتی دما بالا می‌رود، کروی می‌شوند و به هم می‌پیوندند.

این تبدیل یک انتقال فاز متمایز است: مولکول های اکسید شده PMIPAM در شکل کشیده و پیچ خورده خود آبدوست هستند و مولکول های آب را به سمت خود می کشند. هنگامی که آنها به گلبول های کاهش یافته تبدیل می شوند، آبگریز می شوند - و مولکول های آب اطراف خود را آزاد می کنند.

فرصت نویدبخش

برای تیم یامادا، این انتقال فاز ناشی از دما، فرصتی امیدوارکننده برای تولید برق از گرمای نهان است. این انرژی جذب شده یا آزاد شده توسط مولکول ها در هنگام انتقال از یک فاز به فاز دیگر است.

حتی زمانی که اختلاف انرژی بین هر دو فاز بسیار کم بود، ترموسل می‌تواند ولتاژ فوق‌العاده بالایی بین دو الکترود حاوی مولکول‌های اکسید شده و کاهش‌یافته ایجاد کند. یامادا می‌گوید: «همانطور که انتظار می‌رفت، ما ضریب Seebeck بزرگی را در منطقه معتدل که در آن انتقال سیم‌پیچ به گلبول اتفاق می‌افتد، به دست آوردیم.

تیم ها همچنین روند معکوس را نشان دادند: ایجاد اختلاف دما بین دو الکترود با اعمال جریان.

محققان امیدوارند که نتایج آنها بتواند راه را برای نسل جدیدی از ترموسل‌های با کارایی بالا که از گرمای نهان انتقال فاز نیرو می‌گیرد، هموار کند. با این حال همانطور که یامادا توضیح می دهد، هنوز جای زیادی برای پیشرفت وجود دارد. او می‌گوید: «مواد بسیاری دیگر وجود دارند که انتقال فاز را نشان می‌دهند. تا زمانی که بتوانیم به آن‌ها فعالیت ردوکس بدهیم، می‌توان از آن‌ها در ترموسل‌ها استفاده کرد.

با پیشرفت‌های آتی، ترموسل‌های الکتروشیمیایی می‌توانند توانایی ما را در بازیافت گرمای اتلاف به شدت بهبود بخشند. این امر به ویژه در تهویه مطبوع و تبرید مفید خواهد بود - جایی که گرادیان های شدید دما بین فضاهایی که خنک می شوند و مناطقی که گرمای اتلاف خارج می شود ظاهر می شود.

تبدیل بخشی از این انرژی تلف شده به برق می‌تواند به کاهش مصرف انرژی کلی این سیستم‌های خنک‌کننده و در نتیجه، ردپای کربن قابل توجه آنها کمک کند.

تحقیق در شرح داده شده است مواد پیشرفته.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک