Vaellat vaikealle leirintäalueelle, pakattu riittävästi varusteita pitämään sinut tyytyväiseksi kolmen päivän retriittiin kaoottisesta kaupunkielämästä. Mutta kun olet valmis lähtemään, huomaat, että matkapuhelimesi ei ole vain kuollut, sen akku on kulunut etsimällä signaalia koko ajan, jonka olet karkottanut sitä, mutta et voi aivan muistaa missä vaelsi, missä tarkoittaa, että puhelimesi GPS on pelastuslinja takaisin todellisuuteen. Onneksi keittoastiaan rakennetun uuden materiaalin takia sinun tarvitsee vain kytkeä astia päälle, lämmittää vedet sisällä ja kytke puhelin siihen liitettyyn porttiin. Vain muutamassa tunnissa puhelimesi latautuu ja voit tehdä sen turvallisesti takaisin polkupyörälle pysäköityyn kuorma-autoosi.
Utahin yliopiston tutkijat havaitsivat äskettäin, että myrkytön materiaali, joka koostuu kolmesta kemiallisesta elementistä - kalsiumista, koboltista ja terbiumista - tuottaa termosähköistä energiaa jätelämmöstä. Voilevystämällä Ca3Co4Og kuumakerroksen, kuten keittoastian, ja kylmän kerroksen, kuten ruuan tai veden kera, välillä panos kuumasta päästä liikkuu kylmän pään läpi tuottaen sähköjännitteen.
Energia tuotetaan termoelektrisellä prosessilla lämpötilaeroja käyttämällä. Materiaalitieteen ja tekniikan tutkijatohtorin Shrikant Sainin mukaan tässä tapauksessa jopa yksi lämpötilaero tuottaa havaittavan jännitteen.
"Termoelektrisissä materiaaleissa, kun materiaalin toinen pää on kuuma ja toinen pää on kylmä, varauksenkuljettajat kuumasta päästä siirtyvät materiaalin läpi kylmään päähän, jolloin syntyy sähköjännite", sanoo Saini, viimeaikainen paperin pääkirjailija julkaistu tieteellisissä raporteissa . "Muutama milligramma tätä materiaalia tuottaa karkeasti mikrosekunnin sähköä."
Koska materiaali on niin uusi löytö, Saini sanoo, että he analysoivat tarkkaa grammaa grammoina watteina; karkea arvio osoittaa kuitenkin, että yhden watin voiman tuottamiseksi he tarvitsevat noin viisi grammaa materiaalia.
Tässä kuvassa kuuman lieden lämpö, yhdistettynä keittoastian viileämpään veteen tai ruokaan, voisi tuottaa tarpeeksi sähköä matkapuhelimen lataamiseksi. (Ashutosh Tiwari) Vanha sananlasku varoittaa meitä "tuhlamatta, älä halua". Mutta jätettä - energiajätettä - on vaikea vangita. Yhdysvalloissa lähes puolet energiastamme häviää tehottomuuden takia, ja suurin osa energiasta tuotetaan edelleen uusiutumattomasta öljystä, maakaasusta ja hiilestä. Lawrence Livermore National Laboratoryn kokoaman yhdysvaltalaisen energiakartan mukaan 97, 4 kvadriljoonaa brittiläistä lämpöyksikköä (tai nelinkertaista) raakaenergiaa tuotettiin vuonna 2013 aurinko-, ydin-, vesi-, tuuli-, geotermisestä, maakaasusta, hiilestä, biomassasta ja öljystä, tosiasiallisesti käytettiin vain 38, 4 nelosta. Tämä tarkoittaa, että 59 quadia hukkaantui. Löytämällä tapa kerätä ja käyttää tätä hukkaan energiaa voisi tarjota kestävän resurssin tulevaisuudelle.
"Jätelämpö on todellakin suurelta osin huomiotta jätetty, mutta silti valtava potentiaalisen energian varasto", sanoo Berffley Labsin molekyylivalimon epäorgaanisten laitosten johtaja Jeffrey Urban. "Termoelektroniikka on lupaava reitti valjastamaan ja hyödyntämään tätä resurssia - ne muuntavat lämmön suoraan sähköksi ilman liikkuvia osia, käyttönesteitä tai muuta mekaanista monimutkaisuutta."
Urban toteaa, että tehokkuus, materiaalikustannukset ja helppo toteutus ovat tärkeitä teknisiä näkökohtia, ja lisäävät: "Monimutkaisten kuljetusfysiikan vuoksi termoelektroniikalla on taipumus toimia optimaalisesti vain yhdessä tietyssä lämpötilassa."
Aikaisemmat termoelektriset materiaalikoostumukset koostuivat kadmiumista, telluridista tai elohopeasta - alkuaineista, jotka olivat kaikki ihmisille myrkyllisiä ja Sainin tutkimuksen mukaan eivät olleet yhtä vakaita kuin Ca3Co4Og-yhdistelmä. Aikaisemmat termoelektriset materiaalit eivät myöskään olleet skaalattavia, koska ne olivat peräisin yksittäisten kiteiden valmistuksesta tai valmistuksesta, mikä on sekä kallista että haastavaa. Sainin kemiallinen yhdistelmä voi mahdollistaa tämän termosähköisen tekniikan laajamittaisen soveltamisen, koska kemikaalit ovat helposti saatavissa sekoittamiseen ja keittämiseen myrkytöntä materiaalia varten, mikä helpottaa valmistusta suurempina erinä. Tämä tekee löytöstä mahdollisen pelinvaihtajan.
"Odotamme tämän materiaalin monia sovelluksia", Saini sanoo. Utahin yliopisto on hakenut patenttia. Saini ei pysty paljastamaan tiettyjä yksityiskohtia, mutta lisää, että uutta löydettyä materiaalia voitaisiin käyttää koruissa, keittoastioissa ja autoissa - tai jopa olla tulevia lääketieteellisiä sovelluksia.
Lämpöenergia - tai lämpötilaerojen kautta tuotettu sähkö - syntyi vuonna 1821, kun Thomas Seebeck ja Jean Peltier löysivät lämmön muuntautumisen sähköksi. Kolme vuosikymmentä myöhemmin, vuonna 1851, William Thomson (tunnetaan myös nimellä Lord Kelvin) havaitsi, että sähkövirran ajaminen materiaalin läpi voi lämmittää tai jäähdyttää sen, riippuen kuinka elektronit leviävät. Siitä lähtien kenttä on jatkanut kehitystään, kun tutkijat pyrkivät saamaan termoelektronin skaalautuvaan tekniikkaan.
Delawaren yliopiston materiaalitieteiden ja tekniikan apulaisprofessori Joshua Zide tutkii harvinaisia maametallielementtejä, erityisesti terbiumia, joka on osa kemiallisten alkuaineiden yhdistelmää Sainin löytölle. Hänen mukaansa terbium ei välttämättä ole niin runsas kuin tutkijat ehdottavat, vaikka kemiallisessa koostumuksessa käytetty määrä voi tehdä suurista määristä välikohdan.
"[Terbium] on itse asiassa paljon yleisempi kuin telluuri, jota käytetään yleisesti termoelektrisissä, mutta joka on oikeastaan jonkin verran harvinaista", Zide sanoo. "Tämä on johtanut suuriin hinnankorotuksiin viime vuosina, kun kysyntä on lisääntynyt sekä termoelektristen että CdTe-aurinkokennojen [kadmiumtelluridi aurinkosähkökennojen - markkinoiden toiseksi yleisimpien"] kysynnästä. "
Saini kertoo, että tämän lämpöä käyttävän tekniikan toteuttaminen kesti melkein kymmenen vuotta, ja lähtökohtana oli luoda tehokas materiaali ennen kuin joukkue lisäsi bioystävällisyyttä lopullisiin vaatimuksiinsa. Kun tuote on patentoitu, he haluavat esitellä sen kaupallisesti. ”Voimme tässä vaiheessa vain sanoa, että autoissa on paljon hukkalämpöä, jota voidaan käyttää muuntamaan sähköksi”, Saini sanoo.
Termoelektron tulevaisuus on lupaava, etenkin tämän uuden löytön myötä. Kalifornian Santa Barbaran yliopiston materiaalien sekä sähkö- ja tietotekniikan emeritusprofessori Art Gossard uskoo, että uudella tekniikalla voi olla tulevaisuuden sovelluksia armeijan etenemisessä, etenkin kokonaan sähkölaivassa.
"Voisit käyttää kattiloidesi ja reaktoriesi lämpöä sähkön tuottamiseen, joka sitten ajaa sähkömoottoria ja työntää sähkölaivaa", Gossard sanoo. ”Tämän laivan etuna olisi se, että se ei jättäisi kuumavesimäärää taakse, mikä helpottaa seurantaa. Mutta se vaatisi megawattia tehoa, ja termosähköä ei ole vielä mitoitettu niin suureksi. "
Tämän materiaalin avulla pääsemme ehkä sinne.
