Nghiên cứu vật liệu mới biến nhiệt thành điện
Trên số đang phát hành tờ Science, các nhà nghiên cứu nói rằng vật liệu mới có tính hiệu quả cao gấp đôi bất cứ loại vật liệu nào hiện có trên thị trường may bien tan gia re.
Công nghệ tương tự có thể được ứng dụng trong các máy phát năng lượng hay bơm nhiệt, theo chỉ đạo dự án Joseph Heremans và học giả Ohio Eminent khoa công nghệ nano thuộc đại học bang Ohio. Các nhà khoa học gọi các vật liệu này là vật liệu nhiệt điện, họ đánh giá hiệu quả của vật liệu dựa trên lượng nhiệt mà chúng có thể chuyển thành điện năng ở nhiệt độ cho sẵn.
Trước đây, vật liệu hiệu quả nhất được sử dụng cho mục đích thương mại bán biến tần giá rẻ trong các máy phát năng lượng nhiệt điện là hợp kim có tên tellurua chì pha phụ gia natri (sodium-doped lead telluride) với tỉ lệ 0,71. Vật liệu mới – tellurua chì pha phụ gia tali, có tỉ lệ 1,5 – cao gần gấp đôi vật liệu trước. Điều quan trọng hơn đối với Heremans là vật liệu mới đat hiệu quả cao nhất ở nhiệt độ từ 450 đến 950 độ F. Đây là khoảng nhiệt độ tiêu biểu để các hệ thống năng lượng như các động cơ xe ôtô.
Một số chuyên gia tranh luận rằng chỉ có khoảng 25% năng lượng sản xuất từ động cơ xăng bình thường được sử dụng để chạy xe hay cung cấp năng lượng cho các phụ tùng của nó, còn gần 60% năng lượng bị mất qua nhiệt thải ra. Phần lớn nhiệt thất thoát qua khói động cơ.
Thiết bị nhiệt điện (TE) có thể giữ lại một phần nhiệt thải ra. Nó cũng có thể gắn thêm vào ô tô vì nó không có bộ phận chuyển động nào để bị dùng mòn hay hỏng hóc cả.
Vật liệu mới làm tất cả các công việc cần thiết. Nó tạo ra điện năng giống như động cơ nhiệt thông thường – động cơ hơi nước, khí hay động cơ diesel – trong khi vẫn hoạt động phối hợp được với máy phát điện. Nhưng nó sử dụng electron làm chất lưu hoạt động thay vì nước hay khí đồng thời tạo ra điện năng trực tiếp”.
Các kỹ sư đã áp dụng chiếc lược độc đáo để thiết kế ra vật liệu mới này.
Để tối đa lượng điện năng sản xuất nhờ vật liệu TE, các kỹ sư thường phải giới hạn lượng nhiệt có thể đi qua vật liệu mà không hề bị giữ lại rồi biến đổi thành điện. Nên chiến lược đặc trưng để tạo vật liệu nhiệt điện hiệu quả chính là hạ thấp tính dẫn nhiệt của nó.
Trong phòng thí nghiệm của Heremans, ông thường tìm cách hạ thấp tính dẫn nhiệt bằng cách xây dựng cấu trúc cỡ nanomet ví dụ như các sợi nano trong vật liệu. Một nanomet bằng một phần một tỷ của met. Các vật liệu cấu trúc nano không được bền cho lắm, và rất khó thể tạo ra với khối lượng lớn. Chúng cũng khó kết nối với mạch điện thông thường và các nguồn nhiệt bên ngoài. Với vật liệu mới, Heremans và các cộng sự áp một một chiến lược khác: họ không sử dụng cấu trúc nano, thay vào đó tập trung vào cách biến đổi cũng như lượng nhiệt tối đa bị giữ lại bên trong vật liệu một cách tự nhiên.
Để làm được điều này, họ đã tận dụng các ý tưởng về cơ học lượng tử. Heremans hướng đến một bài báo năm 2006 được một số nhà khoa học khác xuất bản trên tờ Physical Review Letters. Bài báo cho rằng cái nguyên tố như tali và telua có thể tương tác ở cấp độ cơ khí lượng tử để tạo ra cộng hưởng giữa electron tali và electron trong vật liệu nhiệt điện tellurua chì phụ thuộc vào mối liên kết giữa các nguyên tử.
Ông nói: “Electron trong nguyên tử tali có hoạt động khác thường khi nó có hàng xóm telua ở bên. Chúng tôi phải nghiên cứu mất 10 năm để có được hoạt động này bằng cách sử dụng các vật liệu cấu trúc nano khác nhau nhưng chỉ đạt được thành công hạn chế. Sau đó tôi được đọc bài báo, lúc đó tôi đã biết chúng tôi có thể làm được một điều tương tự khi cố gắng thực hiện với cấu trúc nano, nhưng là với chất bán dẫn thay thế”.
Heremans thiết kế vật liệu mới với Vladimir Jovovic – người thực hiện nghiên cứu trong luận án tiến sĩ của ông tại kho Kỹ thuật cơ khí, bang Ohio. Các nhà nghiên cứu thuộc đại học Osaka – bao gồm Ken Kurosaki, Anek Charoenphakdee, và Shinsuke Yamanaka – đã chế tạo các mẫu vật liệu nhằm thử nghiệm. Sau đó các nhà khoa học thuộc Viện công nghệ California – bao gồm G. Jeffrey Snyder, Eric S. Toberer, và Ali Saramat – thử nghiệm với liệu mới ở nhiệt độ cao. Heremans và Jovovic thử nghiệm vật liệu ở nhiệt độ thấp đồng thời cung cấp bằng chứng thực nghiệm rằng cơ chế tự nhiên mà họ giả định quả thực đã xảy ra.
Nhóm phát hiện ở nhiệt độ gần 450 độ F, vật liệu chuyển nhiệt thành điện với tỉ lệ 0,75 – gần với tỉ lệ của vật liệu tellurua chì pha phụ gia natri. Nhưng khi nhiệt độ tăng lên, hiệu quả của vật liệu mới cũng tăng lên. Nó đạt đỉnh ở nhiệt độ 950 độ F với tỉ lệ là 1,5.
Nhóm của Heremans đang tiếp tục nghiên cứu về công nghệ còn đang chờ đợi được cấp bằng sáng chế. Ông nói: “Chúng tôi hy vọng sẽ tiến xa hơn nữa. Tôi nghĩ có thể ứng dụng được các bài học khác từ công nghệ nhiệt điện nhằm nâng cao tỷ lệ của một nhân tố khác. Đó là cái mà chúng tôi đang hướng đến”.
Nghiên cứu biến tần giá rẻ được tài trợ từ tập đoàn BSST, Trung tâm phát triển cách tân quang điện vontaic và thương mại hóa thuộc đại học bang Ohio, Viện Beckman, Quỹ Bengt Lundqvist Minne Thụy Điển, và Phòng thí nghiệm chuyển động phản lực của NASA.
Trên số đang phát hành tờ Science, các nhà nghiên cứu nói rằng vật liệu mới có tính hiệu quả cao gấp đôi bất cứ loại vật liệu nào hiện có trên thị trường may bien tan gia re.
Công nghệ tương tự có thể được ứng dụng trong các máy phát năng lượng hay bơm nhiệt, theo chỉ đạo dự án Joseph Heremans và học giả Ohio Eminent khoa công nghệ nano thuộc đại học bang Ohio. Các nhà khoa học gọi các vật liệu này là vật liệu nhiệt điện, họ đánh giá hiệu quả của vật liệu dựa trên lượng nhiệt mà chúng có thể chuyển thành điện năng ở nhiệt độ cho sẵn.
Trước đây, vật liệu hiệu quả nhất được sử dụng cho mục đích thương mại bán biến tần giá rẻ trong các máy phát năng lượng nhiệt điện là hợp kim có tên tellurua chì pha phụ gia natri (sodium-doped lead telluride) với tỉ lệ 0,71. Vật liệu mới – tellurua chì pha phụ gia tali, có tỉ lệ 1,5 – cao gần gấp đôi vật liệu trước. Điều quan trọng hơn đối với Heremans là vật liệu mới đat hiệu quả cao nhất ở nhiệt độ từ 450 đến 950 độ F. Đây là khoảng nhiệt độ tiêu biểu để các hệ thống năng lượng như các động cơ xe ôtô.
Một số chuyên gia tranh luận rằng chỉ có khoảng 25% năng lượng sản xuất từ động cơ xăng bình thường được sử dụng để chạy xe hay cung cấp năng lượng cho các phụ tùng của nó, còn gần 60% năng lượng bị mất qua nhiệt thải ra. Phần lớn nhiệt thất thoát qua khói động cơ.
Thiết bị nhiệt điện (TE) có thể giữ lại một phần nhiệt thải ra. Nó cũng có thể gắn thêm vào ô tô vì nó không có bộ phận chuyển động nào để bị dùng mòn hay hỏng hóc cả.
Vật liệu mới làm tất cả các công việc cần thiết. Nó tạo ra điện năng giống như động cơ nhiệt thông thường – động cơ hơi nước, khí hay động cơ diesel – trong khi vẫn hoạt động phối hợp được với máy phát điện. Nhưng nó sử dụng electron làm chất lưu hoạt động thay vì nước hay khí đồng thời tạo ra điện năng trực tiếp”.
Các kỹ sư đã áp dụng chiếc lược độc đáo để thiết kế ra vật liệu mới này.
Để tối đa lượng điện năng sản xuất nhờ vật liệu TE, các kỹ sư thường phải giới hạn lượng nhiệt có thể đi qua vật liệu mà không hề bị giữ lại rồi biến đổi thành điện. Nên chiến lược đặc trưng để tạo vật liệu nhiệt điện hiệu quả chính là hạ thấp tính dẫn nhiệt của nó.
Trong phòng thí nghiệm của Heremans, ông thường tìm cách hạ thấp tính dẫn nhiệt bằng cách xây dựng cấu trúc cỡ nanomet ví dụ như các sợi nano trong vật liệu. Một nanomet bằng một phần một tỷ của met. Các vật liệu cấu trúc nano không được bền cho lắm, và rất khó thể tạo ra với khối lượng lớn. Chúng cũng khó kết nối với mạch điện thông thường và các nguồn nhiệt bên ngoài. Với vật liệu mới, Heremans và các cộng sự áp một một chiến lược khác: họ không sử dụng cấu trúc nano, thay vào đó tập trung vào cách biến đổi cũng như lượng nhiệt tối đa bị giữ lại bên trong vật liệu một cách tự nhiên.
Để làm được điều này, họ đã tận dụng các ý tưởng về cơ học lượng tử. Heremans hướng đến một bài báo năm 2006 được một số nhà khoa học khác xuất bản trên tờ Physical Review Letters. Bài báo cho rằng cái nguyên tố như tali và telua có thể tương tác ở cấp độ cơ khí lượng tử để tạo ra cộng hưởng giữa electron tali và electron trong vật liệu nhiệt điện tellurua chì phụ thuộc vào mối liên kết giữa các nguyên tử.
Ông nói: “Electron trong nguyên tử tali có hoạt động khác thường khi nó có hàng xóm telua ở bên. Chúng tôi phải nghiên cứu mất 10 năm để có được hoạt động này bằng cách sử dụng các vật liệu cấu trúc nano khác nhau nhưng chỉ đạt được thành công hạn chế. Sau đó tôi được đọc bài báo, lúc đó tôi đã biết chúng tôi có thể làm được một điều tương tự khi cố gắng thực hiện với cấu trúc nano, nhưng là với chất bán dẫn thay thế”.
Heremans thiết kế vật liệu mới với Vladimir Jovovic – người thực hiện nghiên cứu trong luận án tiến sĩ của ông tại kho Kỹ thuật cơ khí, bang Ohio. Các nhà nghiên cứu thuộc đại học Osaka – bao gồm Ken Kurosaki, Anek Charoenphakdee, và Shinsuke Yamanaka – đã chế tạo các mẫu vật liệu nhằm thử nghiệm. Sau đó các nhà khoa học thuộc Viện công nghệ California – bao gồm G. Jeffrey Snyder, Eric S. Toberer, và Ali Saramat – thử nghiệm với liệu mới ở nhiệt độ cao. Heremans và Jovovic thử nghiệm vật liệu ở nhiệt độ thấp đồng thời cung cấp bằng chứng thực nghiệm rằng cơ chế tự nhiên mà họ giả định quả thực đã xảy ra.
Nhóm phát hiện ở nhiệt độ gần 450 độ F, vật liệu chuyển nhiệt thành điện với tỉ lệ 0,75 – gần với tỉ lệ của vật liệu tellurua chì pha phụ gia natri. Nhưng khi nhiệt độ tăng lên, hiệu quả của vật liệu mới cũng tăng lên. Nó đạt đỉnh ở nhiệt độ 950 độ F với tỉ lệ là 1,5.
Nhóm của Heremans đang tiếp tục nghiên cứu về công nghệ còn đang chờ đợi được cấp bằng sáng chế. Ông nói: “Chúng tôi hy vọng sẽ tiến xa hơn nữa. Tôi nghĩ có thể ứng dụng được các bài học khác từ công nghệ nhiệt điện nhằm nâng cao tỷ lệ của một nhân tố khác. Đó là cái mà chúng tôi đang hướng đến”.
Nghiên cứu biến tần giá rẻ được tài trợ từ tập đoàn BSST, Trung tâm phát triển cách tân quang điện vontaic và thương mại hóa thuộc đại học bang Ohio, Viện Beckman, Quỹ Bengt Lundqvist Minne Thụy Điển, và Phòng thí nghiệm chuyển động phản lực của NASA.
