Περνάτε σε ένα καταπληκτικό σημείο κάμπινγκ, πακέτο γεμάτο με αρκετή ταχύτητα για να σας κρατήσει περιεχόμενο για μια τριήμερη υποχώρηση μακριά από τη χαοτική ζωή στην πόλη. Αλλά όταν είστε έτοιμοι να φύγετε, συνειδητοποιείτε ότι όχι μόνο έχει πεθάνει το κινητό σας, ότι η μπαταρία του ξοδεύτηκε αφού έψαχνε για ένα σήμα όλη την ώρα που την έχετε τραβήξει, αλλά δεν μπορείτε να θυμηθείτε ακριβώς πού πετάξατε, σημαίνει ότι το GPS στο τηλέφωνό σας είναι η σωτηρία σας πίσω στην πραγματικότητα. Ευτυχώς, λόγω ενός νέου υλικού ενσωματωμένου στο δοχείο σας, το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να γυρίσετε την κατσαρόλα, να ζεστάνετε το νερό μέσα και να συνδέσετε το τηλέφωνό σας στη θύρα που είναι συνδεδεμένη με αυτό. Μόλις λίγες ώρες, το τηλέφωνό σας θα χρεωθεί και μπορείτε να το επιστρέψετε με ασφάλεια στο φορτηγό σας που είναι σταθμευμένο στο μονοπάτι.
Οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα πρόσφατα ανακάλυψαν ότι το μη τοξικό υλικό που αποτελείται από τρία χημικά στοιχεία - ασβέστιο, κοβάλτιο και τερβιο - παράγει θερμοηλεκτρική ενέργεια από απόβλητα θερμότητας. Με το σάντουιτς του Ca3Co4Og ανάμεσα σε ένα στρώμα που είναι ζεστό, όπως ένα σκεύος μαγειρέματος και ένα στρώμα που είναι κρύο, όπως το φαγητό ή το νερό μέσα στο δοχείο, το φορτίο από το θερμό άκρο μετακινείται μέσω του ψυχρού άκρου, δημιουργώντας ηλεκτρική τάση.
Η ενέργεια παράγεται μέσω μιας θερμοηλεκτρικής διαδικασίας χρησιμοποιώντας διαφορές θερμοκρασίας. Σε αυτή την περίπτωση, η επιστήμη των υλικών και ο μηχανικός μετα-doc ερευνητής Shrikant Saini λέει, ακόμη και ένας βαθμός διαφοράς θερμοκρασίας παράγει μια ανιχνεύσιμη τάση.
"Σε θερμοηλεκτρικά υλικά, όταν το ένα άκρο του υλικού είναι ζεστό και το άλλο άκρο είναι κρύο, οι φορείς φόρτισης από το καυτό άκρο κινούνται μέσα από το υλικό στο ψυχρό άκρο, δημιουργώντας ηλεκτρική τάση", λέει ο Saini, επικεφαλής συγγραφέας στο χαρτί πρόσφατα που δημοσιεύθηκε σε επιστημονικές εκθέσεις . "Ορισμένα χιλιοστογράμματα αυτού του υλικού θα παράσχουν περίπου ένα μικρόκοσμο ηλεκτρικής ενέργειας."
Επειδή το υλικό είναι μια τόσο νέα ανακάλυψη, η Saini λέει ότι είναι στη μέση της ανάλυσης των μετρήσεων των ακριβών γραμμάρια σε watts. Ωστόσο, η ακαθάριστη εκτίμησή τους δείχνει ότι για ένα ρεύμα ρεύματος που παράγεται, χρειάζονται περίπου πέντε γραμμάρια του υλικού.
Σε αυτό το γραφικό, η θερμότητα από μια θερμή εστία, σε συνδυασμό με το πιο δροσερό νερό ή το φαγητό σε μια κατσαρόλα, θα μπορούσε να παράγει αρκετό ηλεκτρικό ρεύμα για να φορτίσει ένα κινητό τηλέφωνο. (Ashutosh Tiwari) Μία παλαιά παροιμία μας προειδοποιεί να "σπαταλάμε όχι, δεν θέλουμε". Αλλά η σπατάλη ενέργειας-σπατάλη-είναι δύσκολο να συλλάβει. Στις ΗΠΑ, σχεδόν το ήμισυ της ενέργειας μας χάνεται λόγω αναποτελεσματικότητας και η πλειοψηφία της ενέργειας μας παράγεται ακόμα από μη ανανεώσιμες πηγές πετρελαίου, φυσικού αερίου και άνθρακα. Σύμφωνα με ένα ενεργειακό διάγραμμα των ΗΠΑ που συγκεντρώθηκε από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore, από τα 97, 4 τετρακλίους βρετανικών θερμικών μονάδων (ή τετραγώνων) ακατέργαστης ενέργειας που παράγεται το 2013 από ηλιακά, πυρηνικά, υδροηλεκτρικά, αιολικά, γεωθερμικά, φυσικό αέριο, άνθρακα, βιομάζα και πετρέλαιο, χρησιμοποιήθηκαν στην πραγματικότητα μόνο 38, 4 τετράγωνα. Αυτό σημαίνει ότι χάθηκαν 59 τετράγωνα. Η εύρεση ενός τρόπου συλλογής και χρήσης αυτής της σπαταλημένης ενέργειας θα μπορούσε να αποτελέσει έναν βιώσιμο πόρο για το μέλλον.
"Η θερμότητα των αποβλήτων είναι πράγματι σε μεγάλο βαθμό παραβλεφθεί, αλλά τεράστια δεξαμενή πιθανής ενέργειας", λέει ο Jeffrey Urban, διευθυντής ανόργανων εγκαταστάσεων στο Molecular Foundry στο Berkeley Labs. "Τα θερμοηλεκτρικά είναι μια πολλά υποσχόμενη διαδρομή για να αξιοποιήσουν και να επωφεληθούν από αυτόν τον πόρο - μετατρέπουν άμεσα τη θερμότητα στον ηλεκτρισμό χωρίς κινούμενα μέρη, υγρά εργασίας ή άλλη μηχανική πολυπλοκότητα".
Ο Urban σημειώνει ότι η αποδοτικότητα, το κόστος των υλικών και η ευκολία στην υλοποίηση είναι όλα σημαντικά θέματα μηχανικής, προσθέτοντας, "Λόγω της σύνθετης φυσικής μεταφοράς, τα θερμοηλεκτρικά τείνουν να λειτουργούν άριστα μόνο σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασία."
Προηγούμενες συνθέσεις θερμοηλεκτρικού υλικού αποτελούσαν στοιχεία καδμίου, τελουδριδίου ή υδραργύρου, τα οποία ήταν όλα τοξικά για τον άνθρωπο και, σύμφωνα με την έρευνα του Saini, δεν ήταν τόσο σταθερά όσο ο συνδυασμός Ca3Co4Og. Επίσης, τα προγενέστερα θερμοηλεκτρικά υλικά δεν ήταν κλιμακωτά επειδή προέρχονταν από την κατασκευή ή την κατασκευή μονών κρυστάλλων, η οποία είναι τόσο δαπανηρή όσο και προκλητική. Ο χημικός συνδυασμός της Saini μπορεί να επιτρέψει την εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα αυτής της θερμοηλεκτρικής τεχνολογίας, επειδή οι χημικές ουσίες είναι άμεσα διαθέσιμες για να αναμειγνύονται και να μαγειρεύουν για να παράγουν το μη τοξικό υλικό, καθιστώντας ευκολότερη την παρασκευή τους σε μεγαλύτερες παρτίδες. Αυτό κάνει την ανακάλυψη μια πιθανή εναλλαγή παιχνιδιών.
«Αναμένουμε πολλές εφαρμογές αυτού του υλικού», λέει ο Saini. Το Πανεπιστήμιο της Γιούτα έχει υποβάλει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Η Saini δεν είναι σε θέση να αποκαλύψει κάποιες συγκεκριμένες λεπτομέρειες, αλλά προσθέτει ότι το νεωτερισμένο υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε κοσμήματα, γλάστρες και αυτοκίνητα ή ακόμα και να έχει μελλοντικές ιατρικές εφαρμογές.
Η θερμοηλεκτρική ενέργεια ή η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τις θερμοκρασιακές διαφορές προέρχεται από το 1821 όταν οι Thomas Seebeck και Jean Peltier ανακάλυψαν τη μετατροπή της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια. Τρεις δεκαετίες αργότερα το 1851, ο William Thomson (επίσης γνωστός ως Λόρδος Kelvin) ανακάλυψε ότι η λειτουργία ενός ηλεκτρικού ρεύματος μέσω ενός υλικού μπορεί να το θερμαίνει ή να κρυώσει, ανάλογα με τον τρόπο διάχυσης των ηλεκτρονίων. Από τότε, ο τομέας συνέχισε να εξελίσσεται καθώς οι επιστήμονες εργάζονται για να φέρουν τη θερμοηλεκτρική σε μια κλιμακωτή τεχνολογία.
Ο Joshua Zide, αναπληρωτής καθηγητής υλικών επιστήμης και τεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο του Delaware, μελετά στοιχεία σπάνιων γαιών, ιδιαίτερα terbium, που αποτελεί μέρος του συνδυασμού χημικών στοιχείων για την ανακάλυψη του Saini. Λέει ότι το τερβιο δεν είναι απαραίτητα τόσο άφθονο όσο προτείνουν οι ερευνητές, αν και η ποσότητα που χρησιμοποιείται στη χημική σύνθεση μπορεί να κάνει μεγάλες ποσότητες ένα σημείο αναφοράς.
"[Το Terbium] είναι στην πραγματικότητα πολύ πιο κοινό από το τελλούριο, το οποίο χρησιμοποιείται συνήθως στη θερμοηλεκτρική αλλά στην πραγματικότητα είναι κάπως σπάνιο", λέει ο Zide. "Αυτό έχει οδηγήσει σε μεγάλες αυξήσεις των τιμών τα τελευταία χρόνια καθώς η ζήτηση έχει αυξηθεί τόσο για τα θερμοηλεκτρικά όσο και για τα ηλιακά φωτοβολταϊκά φωτοβολταϊκά κύτταρα του τελικού ηλεκτρισμού του CdTe - το δεύτερο πιο συνηθισμένο στην αγορά."
Η Saini λέει ότι αυτή η θερμοηλεκτρική τεχνολογία χρειάστηκε σχεδόν δέκα χρόνια για να ολοκληρωθεί, με αρχικό στόχο να δημιουργηθεί ένα αποτελεσματικό υλικό πριν η ομάδα προστεθεί βιολογικά στις τελικές της απαιτήσεις. Μόλις το προϊόν κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, θέλει να το εισαγάγει εμπορικά. "Σε αυτό το σημείο, μπορούμε να πούμε μόνο ότι στα αυτοκίνητα υπάρχει μεγάλη ποσότητα απόβλητης θερμότητας, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια", λέει ο Saini.
Το μέλλον της θερμοηλεκτρικής ενέργειας είναι ελπιδοφόρα, ειδικά με αυτή τη νέα ανακάλυψη. Ο Art Gossard, επίμονος καθηγητής υλικών και ηλεκτρολόγων και υπολογιστικών μηχανικών στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας-Σάντα Μπάρμπαρα, πιστεύει ότι η νέα τεχνολογία θα μπορούσε να έχει μελλοντικές εφαρμογές στη στρατιωτική πρόοδο, ιδιαίτερα το ηλεκτροκίνητο πλοίο.
"Θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε τη θερμότητα που προήλθε από τους λέβητες και τους αντιδραστήρες σας για να παράγετε ηλεκτρισμό που θα μπορούσε να οδηγήσει τον ηλεκτρικό κινητήρα και να σπρώξει το ηλεκτρικό σκάφος", λέει ο Gossard. "Αυτό το πλοίο θα είχε το πλεονέκτημα να μην αφήνει πίσω του ένα ζεστό νερό, που καθιστά ευκολότερο τον εντοπισμό του. Αλλά θα απαιτούσε μεγαβάτ δύναμης και το θερμοηλεκτρικό δεν έχει κλιμακωθεί σε αυτό το βαθμό ακόμα. "
Με αυτό το υλικό, ίσως θα φτάσουμε εκεί.
