Nanokonvertory tepla na elektřinu

Jakýkoliv proces získávání, přenosu a využití energie je spojen s jejími ztrátami. Ty se počítají řádově v desítkách procent a většinou vedou k produkci tzv. odpadního tepla. Například u spalovacích motorů v autě se takto ztrácí kolem tří čtvrtin celkově uvolněné energie. Tepelná složka energie se pak navíc často nenávratně ztrácí, doslova se rozplyne v okolí. Druhý termodynamický zákon vlastně říká, že příroda se jakoby brání uspořádanosti. Nejpřirozenějším a často konečným stavem energie v přírodě je proto (rozptýlené) teplo, její nejméně uspořádaná čili nejvíce degradovaná forma.

Vědci se ale snaží vyvinout speciální materiály a zařízení, které by zmíněnou bilanci neefektivity a tendenci k neuspořádanosti alespoň zčásti zvrátily a které by mohly mít široké použití v praxi. Účelem tzv. termoelektrických materiálů a zařízení je konvertovat co největší část odpadního tepla zpět do “ušlechtilé” a uspořádané formy elektrické energie. Obecně vede cesta k účinnějším termoelektrickým konvertorům přes detailní zpracování materiálů na úrovni nanometrů.

Nový termoelektrický konvertor při testování|foto: J.Mannhart/MPG.de

Dosavadní termoelektrické součástky neměly příliš velkou účinnost. Ovšem dvojice profesorů z Floridské univerzity v Gainesville, K. A. Muttalib a Selman Hershfield, ve svém článku zveřejněném v časopise Physical Review Applied popsala zcela nový termoelektrický konvertor. Jeho základem jsou dva velké vodiče, které vykazují různou teplotu. Ty jsou pospojovány množstvím tenkých a vzájemně nezávislých nanodrátků, přes které pak teče proud směrem od teplejšího ke chladnějšímu konci. Přítomnost mnoha paralelních nanodrátků vedle sebe velikost výsledného proudu podstatně násobí.

Dané schéma navíc umožňuje optimalizovat funkci součástky v závislosti na měnícím se rozdílu teplot a na různě velkém odebíraném elektrickém výkonu. Pro každou kombinaci těchto parametrů je totiž optimální režim součástky s ohledem na maximální účinnost konverze jiný. Řešením je například přiložení různě velkého napětí na oba konce nanodrátků. Tím lze optimalizovat odebíraný výkon a také účinnost termoelektrické konverze. Součástka tohoto typu má navíc výhodu, že vyrábět dnes nanodrátky s přesně definovanými vlastnostmi a rozměry není velký problém.

Logo|foto:Český rozhlas

Popsaná součástka však není jediným možným řešením problému termoelektrické konverze na bázi nanotechnologie. Teoretických možností je mnohem víc. Třeba termoelektrické konvertory, využívající vlastností kvantových teček, organických polovodivých polymerů nebo obsahující speciální elektrochemické články. Zajímavou variantou je i tzv. thermionický generátor.

Zdroje: Phys.Org 1, Phys.Org 2, Phys.Org 3, Phys.Org 4, Spie, ScienceDaily, Physical Review Applied, Physical Review Letters