По одной официальной оценке, американские промышленные, транспортные, бытовые и коммерческие потребители используют только около 40 процентов потребляемой ими энергии, а 60 процентов тратят впустую. Очень часто эта растраченная энергия уходит в виде тепла или тепловой энергии из-за неэффективной технологии, которая не может собрать эту потенциальную энергию.
Теперь группа из Массачусетского университета в Амхерсте под руководством химика Дхандапани Венкатарамана, "DV", и инженера-электрика Златана Аксамия, сообщает в этом месяце в Nature Communications о продвижении к более эффективным, дешевым полимерам. сбор тепловой энергии.
«Это будет сюрпризом для специалистов, - прогнозирует DV, - это даст нам еще одну ключевую переменную, которую мы можем изменить, чтобы улучшить термоэлектрическую эффективность полимеров. Это должно заставить нас и других обратить внимание на полимеры». термоэлектричество в новом свете."
Aksamija объясняет: «Использование полимеров для преобразования тепловой энергии в электричество путем сбора отработанного тепла в последние годы вызвало всплеск интереса. Отходящее тепло представляет собой как проблему, так и ресурс; чем больше тепла уходит в отходы, тем он менее эффективен». Он добавляет, что собирать отработанное тепло проще, когда есть локальный источник с высокотемпературным градиентом, такой как источник высококачественного тепла, такой как электростанция.
Термоэлектрические полимеры менее эффективны при сборе тепла по сравнению с жесткими, дорогими в производстве неорганическими методами, которые, тем не менее, весьма эффективны, добавляет Аксамия, но полимеры стоят внимания, потому что они дешевле в производстве и на них можно наносить покрытие на гибких материалах - например, для обертывания выхлопной трубы электростанции.
Недавно ученые решили устранить это препятствие с помощью процесса, называемого «допинг». С его помощью исследователи смешивают химические или другие компоненты с полимерами, чтобы улучшить их способность перемещать электрические заряды и повысить эффективность. DV говорит: «Представьте, что мы добавили в печенье шоколадную стружку, материал, улучшающий проводимость. Это допинг».
Но допинг предполагает компромисс, добавляет Аксамия. Он может либо обеспечить больший ток и меньшее термически индуцированное напряжение, либо большее напряжение и меньший ток, но не то и другое одновременно. «Если вы улучшите одно свойство, вы ухудшите другое, - объясняет он, - и может потребоваться много усилий, чтобы найти наилучший баланс или оптимальное легирование».
Чтобы решить эту проблему, Д. В. и его доктор химических наук. студент Коннор Бойл с Аксамией и его доктором наук в области электротехники. студентка Минакши Упадхьяя работала в рамках того, что Д. В. называет «настоящим сотрудничеством», когда каждое открытие, полученное в результате численного моделирования, служило основой для следующей серии экспериментов, и наоборот.
Химики проводили эксперименты, в то время как команда инженеров проводила анализ эффективности по кривой от «нулевого легирования» до «максимального легирования», чтобы определить наилучший баланс для множества различных материалов. Для огромного количества симуляций, которые они провели для проверки сотен сценариев, они использовали Массачусетский зеленый высокопроизводительный вычислительный центр в соседнем Холиоке..
Аксамия говорит. «Теперь мы можем сказать вам, для каждого данного материала, каков оптимальный баланс этих двух свойств, и какое-то время люди были довольны просто знанием этого». Но попутно, добавляет он, они обнаружили совершенно новую переменную, которая до сих пор не была учтена и которая оказалась критической для способности легированного полимера эффективно улавливать тепловую энергию.
Он говорит: «Первоначальный анализ не касался вопроса о положении легирующих компонентов, о том, слипаются ли материалы или нет, и насколько они слипаются или группируются, как мы это называем. Оказывается, что кластеризация является критической переменной». полимеры, легированные при комнатной температуре, но не при более высоких температурах.
Получив это подтверждение, исследователи приступили к моделированию расширенной кривой компромисса, говорит Упадхьяя. Из своего теоретического моделирования она и Аксамия обнаружили, что кластеризация изменяет форму этой кривой. По ее словам, чтобы повысить эффективность за пределами компромисса между током и напряжением, нужно сдвинуть всю кривую компромисса.
Это неожиданное открытие должно открыть новый путь для разработки более эффективных полимеров для термоэлектрических устройств, говорят исследователи. Д. В. отмечает, что до сих пор химики и материаловеды пытались упорядочить полимеры так, чтобы они были больше похожи на неорганические, «хорошо выровненные и очень регулярные, что трудно сделать», добавляет он.«Оказывается, что это может быть не тот путь; вы можете выбрать другой путь или другой подход. Мы надеемся, что эта статья послужит основой для продвижения вперед термоэлектрических систем на основе полимеров».