Egy lépésben elektromossággá alakítható a hulladékhő

A Curiosity több tucat képből összegyúrt szelfije

Szobahőmérsékleten is működik az új termoelektromos anyag, ezzel megnyílt az út a hétköznapi hasznosítás felé. Jelentősen nőhet a különféle gépek, járművek és erőművek hatásfoka.

Egy átlagos autóban a robbanómotor által megtermelt energia 70 százaléka hővé alakul és kárba vész. A hasznosítását célzó eddigi próbálkozások már a hulladékhő kinyerésekor nehézségekbe ütköztek, hiszen újabb gépekkel egészítették ki a meglévő bonyolult berendezéseket.

Egy átlagos robbanómorotban az energia 70%-a hővé alakulva vész el Forrás: MTI/EPA/DPA/Boris Rössler

Mi lenne, ha mozgó alkatrészek és akkumulátor nélkül egyenesen a hőt alakítanánk azonnal felhasználható elektromos árammá? Így menet közben tölthetnénk az akkumulátort (energiatárolás) vagy üzemeltethetnénk róla mondjuk a klímát.

A varázsszó: termoelektromosság

A termoelektromos anyagok képesek a hőt elektromossággá alakítani, illetve az elektromosságot hővé. Amikor elem készítése a cél, kétféle termoelektromos anyagot kapcsolnak össze A-B-A szekvenciában: ez két AB-típusú kontaktust alkot.

A szénerőművek 70% hulladékhő energiát ztermelnek Forrás: Hiver't-Klokner Zsuzsanna

Amennyiben a két kontaktus hőmérséklete eltérő, akkor közöttük termoelektromos feszültség alakul ki, s ha összekötjük őket, elkezd folyni az áram. A "truváj" abban rejlik, hogy az ideális termoelektrommos anyagnak jó elektromos vezetőnek kell lennie, egyszersmind rossz hővezetőnek, hogy az elektromosságot generáló hatása minél nagyobb legyen.

A belsőégésű benzinmotor által termelt mozgási és kárba veszett hőenergia aránya Forrás:Hiver't-Klokner Zsuzsanna

(Erről részletesen írtunk korábbi cikkünkben) Már ma is több ilyen termoelektromos elemet alkalmaz a műszaki tudomány, a legismertebb talán a Curiosity marsjáró, amelynek energiaellátását radioizotópos termoelektromos generátor adja: az izotópok természetes bomlásából származó hőt alakítja árammá.

A Curiosity több tucat képből összeállított fotója Forrás: MTI/EPA/NASA/JPL-Caltech/MSSS/-------------------

A használható hatásfokot (5-7 százalékot) nyújtani képes termoelektromos anyagok zömmel tellúr vagy szelén alapúak, és vagy rendkívül mérgezőek (illetve költségesek), vagy olyan nagy hőmérsékleten (és szűk tartományban) működnek csak, ami lehetetlenné teszi széles körű hasznosításukat.

Kis változtatással megnő a használhatósági mutató

A Machesteri Egyetem kutatói arra jöttek rá, hogy a lantán-stroncium-titán-oxid (LSTO) nevű termoelektromos anyag működési hőmérsékleti tartománya akár szobahőmérsékletig szélesíthető kevesebb, mint 1 százaléknyi grafén hozzáadásával.

Mi a grafén?

Húzott már vonalat ceruzával? Akkor el is tudja képzelni, persze nagyon leegyszerűsítve, hogy milyen a 21. század csodaanyaga, a grafén: e ceruzás hasonlat esetében a háromdimenziós grafitrúdból a sík papírra "kent" kétdimenziós réteg. A 2004-ben felfedezett kristály úgy néz ki, mint egy hatszögű rácsos kerítésháló, csak mikroszkopikus méretben, és különleges tulajdonságokkal rendelkezik.
E nanoháló csomói a szénatomok, a „drót" pedig a köztük lévő kémiai kötés. A hálószerkezetből adódóan a grafén kétdimenziós, azaz egyetlen atom a vastagsága, ennek köszönhetően a legkönnyebb anyag. Ám egyúttal a világ legerősebbje is: noha átlátszó és hajlítható, keményebb a gyémántnál, és szakítószilárdsága akár háromszázszor nagyobb lehet az acélénál. A réznél sokkal jobban vezeti az elektromosságot, és a feltételezések szerint minden ismert anyagnál hatékonyabban vezeti a hőt.
A Manchesteri Egyetem élenjáró a grafénkutatásban: 2004-ben az egyetem két munkatársa, Andre Geim és Konstantin Novoselov fedezte fel az új anyagot, munkásságuk jelentőségét 2010-ben fizikai Nobel-díjjal ismerték el.

A jelenlegi LSTO-alapú termoelektromos anyagok csak 700 Celsius-foknál nagyobb hőmérsékleten használhatók,

ezért alkalmazási lehetőségeik korlátozottak. Az új LSTO-grafén-nanokompozit anyag használható ZT-értéket mutat rendkívül tág, több száz Celsius-fokot átívelő hőmérsékleti tartományban, számoltak be fejlesztésükről az Amerikai Kémiai Társaság Applied Materials & Interfaces folyóiratában a manchesteri kutatók.

Az atomerőművek hőenergia feleslege 58% Forrás: Hiver't-Klokner Zsuzsanna

A ZT-érték, más néven a "jósági" vagy hasznosíthatósági mutató arra utal, hogy az eszköz jó villamos vezető, de rossz hővezető – a ZT>1 értéket elérő eszköz már versenyképes más technológiákkal. Az új nanokompozit-anyag ZT-értéke szobahőmérsékleten is 0,42.

Az energiaátalakításban a kicsi is számít

A működési hőmérsékleti tartomány ilyen mértékű kiterjesztése olyan eszközök gyártását teszi lehetővé, mint például a termoelektromos generátor,

amely a járműmotorok hulladékhőjét alakítja elektromos árammá az elektromotorok által hajtott kiegészítő berendezések működtetésére,

illetve a hibrid járművek hajtására. Az új kompozit a hő 3-5 százalékát képes elektromossággá alakítani. Ez elsőre nem tűnik soknak, de a jelenlegi 70 százalékos veszteséghez képest minden megtakarítás pozitívumként könyvelhető el.