|
|
|
Μετατροπή της άχρηστης θερμότητας σε πηγή ενέργειαςΆρθρο, Οκτώβριος 2004 |
Ένα θερμοηλεκτρικό υλικό έχει την ιδιότητα να παράγει ηλεκτρική τάση όταν τα άκρα του βρίσκονται σε διαφορετική θερμοκρασία, αλλά και το αντίθετο. Αυτή η τελευταία ιδιότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ψύξει τις ηλεκτρονικές συσκευές. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά της θερμοκρασίας στα άκρα του υλικού τόσο μεγαλύτερη θα είναι και η τάση. Αυτό γίνεται επειδή τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από την πλευρά με τη μεγαλύτερη θερμοκρασία (φορτίζοντάς την θετικά) προς την ψυχρότερη πλευρά (φορτίζοντάς την αρνητικά) και έτσι δημιουργείται η τάση. Έτσι με αυτή τη διαδικασία μπορεί να παραχθεί ενέργεια από τη θερμότητα. Γενικότερα όλα τα υλικά, άλλα λιγότερο άλλα περισσότερο, διαθέτουν την ικανότητα παραγωγής ηλεκτρικής τάσης αλλά πρόκειται για μια εξασθενημένη ικανότητα και η ποσότητα ηλεκτρισμού που παράγεται είναι πολύ μικρή για να μπορεί να έχει πρακτική εφαρμογή οπουδήποτε. Η προηγούμενη ανακάλυψη παρέμεινε ανενεργή μέχρι τη δεκαετία του '50, όταν τότε αναπτύχθηκαν οι ημιαγωγοί. Οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι μπορούσαν να κατασκευαστούν ημιαγωγοί που να επιδεικνύουν θερμοηλεκτρικά γνωρίσματα, όπως και οι παραδοσιακοί αγωγοί. Πράγματι, κατασκευάστηκαν προϊόντα που χρησιμοποιούν αυτή τη μέθοδο ψύξης, όπως στα όργανα των διαστημικών σκαφών. Αλλά οι ελπίδες τους για μια πιο διαδεδομένη χρήση αποδείχθηκαν άπιαστες. Το πεδίο αυτό άρχισε να παίρνει μια νέα ώθηση στη δεκαετία του '90 όταν οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η απόδοση του υλικού αυξήθηκε όταν ελαττώθηκε το μέγεθος του. Έτσι ανέπτυξαν συσκευές στις οποίες χρησιμοποίησαν λεπτές ταινίες του υλικού. Ένα πρόγραμμα που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, και συμμετέχει ο Γρηγόρης Μερκούρης Κανατζίδης, επιδιώκει να ανακαλύψει νέα υλικά με μια πολύ βελτιωμένη θερμοηλεκτρική απόδοση. Ο στόχος του προγράμματος είναι να ανακαλυφθούν και να μελετηθούν νέα υλικά τριών και τεσσάρων καταστάσεων με στενά ενεργειακά χάσματα και σύνθετες ηλεκτρονικές δομές. Οι επιστήμονες προσπαθούσαν επί χρόνια να κάνουν ωφέλιμη τη χαμένη αυτή θερμότητα παράγοντας άλλης μορφής ενέργεια. Για τους καταναλωτές, αυτή η πρόοδος στα υλικά έχει οδηγήσει στα μικρά δοχεία ψύξης των ποτών, που συνδέονται στην υποδοχή του αναπτήρα στα αυτοκίνητα ή με τα περιλαίμια που κρατούν ζεστούς τους ανθρώπους το χειμώνα ή τους ψύχουν το καλοκαίρι. Στη Φινλανδία, για παράδειγμα, μια επιχείρηση έχει επινοήσει μια θερμοηλεκτρική γεννήτρια από ημιαγωγούς και χρησιμοποιεί τη θερμότητα από νερό που βράζει για να τροφοδοτήσει την αντλία της κυκλοφορίας του ζεστού νερού στο σπίτι. Ακόμα, η αγορά έχει παραμείνει σχετικά μικρή και εξειδικευμένη, με πολλές λεπτές συσκευές που χρησιμοποιούνται στον εξοπλισμό επιστήμης ή για να δροσίσει τα τσιπ υπολογιστών. Το πρόβλημα όμως μέχρι τώρα ήταν, ότι δύσκολα αναπτύσσονται ημιαγωγοί σε αρκετά μεγάλα κομμάτια και με σωστά χαρακτηριστικά για να μετατρέψει τη θερμότητα σε ηλεκτρική τάση σε μεγάλες εφαρμογές. Ήδη μετά από δεκαετή έρευνα ανακάλυψαν μια νέα σύνθεση που περιέχει άργυρο, μόλυβδο, αντιμόνιo και τελλούριο δημιουργώντας ένα υλικό που μπορεί να παράγει μεγάλη τάση. Και η απόδοση του (ο συντελεστής ZT είναι τώρα μεγαλύτερος του 2.2 ) δείχνει να είναι η υψηλότερη που έχει επιτευχθεί ποτέ για υλικά που φτιάχνονται κατά μαζικό τρόπο στις υψηλές θερμοκρασίες. Με άλλα λόγια, το υλικό φαίνεται να είναι αποδοτικότερο στη μετατροπή της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια από οποιοδήποτε άλλο παρόμοιο υλικό. Χάρις στο υλικό αυτό θα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την άχρηστη θερμότητα, που εκπέμπεται στο περιβάλλον από τα αέρια των καύσεων, με τη μορφή χρήσιμης ενέργειας. Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μια ευρεία γκάμα εφαρμογών. Από την εξάτμιση των αυτοκινήτων μέχρι τις ηλεκτρικές - ηλεκτρονικές συσκευές (υπολογιστές, τηλεοράσεις κ.ά.). Έτσι μπορεί να παραχθεί έξτρα ηλεκτρική ενέργεια για τις ανάγκες του οχήματος. Επειδή τα δύο τρίτα της ενέργειας που παράγεται από την καύση των καυσίμων "χάνεται" ως θερμότητα και μόνο το ένα τρίτο χρησιμοποιείται για να κινηθεί υπάρχει, επομένως, πολύ διαθέσιμη θερμότητα από την οποία μπορούμε να προσπαθήσουμε να δημιουργήσουμε ενέργεια. Οπουδήποτε αλλού και αν υπάρχει θερμότητα, όπως σε κουζίνες, σταθερές μηχανές, ακόμη και σε συστήματα συλλογής ηλιακής ενέργειας, μπορεί να γίνει προσπάθεια μετατροπής της θερμότητας που χάνεται σε ενέργεια. Το κράμα αυτό, που περιέχει πολύ ισχυρά θερμοηλεκτρικά υλικά, βοηθά στη μετατροπή της θερμότητας από την εξάτμιση του αυτοκινήτου ή από τις καπνοδόχους των εργοστασίων ηλεκτροπαραγωγής σε ηλεκτρισμό. Μέχρι στιγμής το σύστημά του έχει επιτύχει τη μετατροπή σε ποσοστό ως και 18%, ποσοστό που θεωρείται ιδιαίτερα υψηλό. Σε γενικές γραμμές, εάν μπορούν να φτιαχτούν ημιαγωγοί με αρκετά υψηλό ZT, μπορεί να είναι δυνατό να φτιαχτεί μια αυτοτροφοδοτούμενη συσκευή ή να αυξηθεί η ηλεκτρική ενέργεια. Στο πρόγραμμα αυτό, που είναι μια διεπιστημονική ερευνητική προσπάθεια, συμμετέχουν τρεις ερευνητικές ομάδες στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν: μια χημική ομάδα συνθετικής στερεάς κατάστασης, μια ομάδα ηλεκτρικής εφαρμοσμένης μηχανικής και μια θεωρητική ομάδα φυσικής.
Έχει δε βραβευτεί πολλές φορές για τις υπηρεσίες του, μεταξύ άλλων με τις εξής διακρίσεις:
Ήδη ασχολείται και με έρευνες σε άλλους τομείς, όπως για υλικά για ημιαγωγούς τα οποία να διαθέτουν, για παράδειγμα, φωσφορίζουσες ιδιότητες. Πρόκειται για πραγματικά νέα και εξωτικού χαρακτήρα υλικά, τις δυνατότητες των οποίων δεν μπορούμε καν να φανταστούμε αυτή τη στιγμή. Επίσης, εργάζεται στον τομέα ανάπτυξης νέων διμεταλλικών κραμάτων για την ανακάλυψη υλικών που θα είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά σε ακραίες συνθήκες (υψηλή θερμότητα, χημική διάβρωση, οξείδωση κτλ.) αλλά και νέων σούπερ ημιαγωγών. Αναφορά: Christian Science Monitor, ΒΗΜΑ, Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν |
||
|
Ο
Γρηγόρης Μερκούρης Κανατζίδης εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και γεννήθηκε το
1957 στη Θεσσαλονίκη. Αφού πήρε το πτυχίο του Χημικού από το Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο
το 1979, έκανε το διδακτορικό του στην Ανόργανη Χημεία στο Πανεπιστήμιο της Iowa το
1984, ενώ τώρα εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν από το 1985.