Du går til en unnvikende campingplass, pakke fylt med nok utstyr til å holde deg tilfreds med en tre-dagers retrett bort fra kaotisk byliv. Men når du er klar til å forlate, skjønner du at ikke bare mobiltelefonen har dødd, batteriet har brukt etter å ha søkt etter et signal hele tiden du har grodd det, men du kan ikke helt huske hvor du vandret inn, hvilket betyr at GPS-en på telefonen din er din livline tilbake til virkeligheten. Heldigvis, på grunn av et nytt materiale som er innebygd i kokekaret, er alt du trenger å gjøre å slå på potten, varme opp vannet inni og koble telefonen til porten som er koblet til den. På bare noen få timer vil telefonen lades, og du kan trygt komme tilbake til bilen din som står parkert ved sporet.
Forskere ved University of Utah oppdaget nylig at det ikke-giftige materialet som består av tre kjemiske elementer - kalsium, kobolt og terbium - genererer termoelektrisk energi fra spillvarme. Ved å sandwich Ca3Co4Og mellom et varmt lag, for eksempel en kokepanne, og et kaldt lag, som maten eller vannet i gryten, beveger ladningen fra den varme enden seg gjennom den kalde enden og produserer en elektrisk spenning.
Energien genereres gjennom en termoelektrisk prosess ved bruk av temperaturforskjeller. I dette tilfellet sier materialvitenskap og ingeniørvitenskapelig forsker Shrikant Saini, selv en grad av temperaturforskjell gir en påvisbar spenning.
"I termoelektriske materialer, når den ene enden av materialet er varmt og den andre enden er kald, flytter ladningsbærere fra den varme enden gjennom materialet til den kalde enden, og genererer en elektrisk spenning, " sier Saini, hovedforfatter på papiret nylig publisert i Scientific Reports . "Noen få milligram av dette materialet vil gi omtrent en mikrobatt strøm."
Fordi materialet er et så nytt funn, sier Saini at de er i midten av å analysere de nøyaktige målene til gram til watt. deres grove estimat viser imidlertid at for en watt strøm som skal genereres, trenger de omtrent fem gram av materialet.
I denne grafikken kan varmen fra en varm komfyr, kombinert med kjøligere vann eller mat i en kokekanne, generere nok strøm til å lade en mobiltelefon. (Ashutosh Tiwari) Et gammelt ordspråk advarer oss om å "ikke kaste bort, ikke vil." Men avfall - energiavfall - er vanskelig å fange. I USA går nesten halvparten av energien vår tapt på grunn av ineffektivitet, og mesteparten av energien vår produseres fortsatt fra ikke-fornybar petroleum, naturgass og kull. I følge et amerikansk energikart satt sammen av Lawrence Livermore National Laboratory, av de 97, 4 kvadrillion britiske termiske enhetene (eller firemengdene) av rå energi som ble generert i 2013 fra solenergi, atomkraft, hydro, vind, geotermisk, naturgass, kull, biomasse og petroleum, bare 38, 4 firer ble faktisk brukt. Det betyr at 59 firer var bortkastet. Å finne en måte å samle inn og bruke denne bortkastede energien kan gi en bærekraftig ressurs for fremtiden.
"Spillvarme er virkelig et stort sett oversett, men allikevel stort reservoar med mulig energi, " sier Jeffrey Urban, direktør for uorganisk anlegg ved Molecular Foundry ved Berkeley Labs. "Termoelektrikk er en lovende rute for å utnytte og dra nytte av denne ressursen - de konverterer varme direkte til strøm uten bevegelige deler, arbeidsvæsker eller annen mekanisk kompleksitet."
Urban bemerker at effektivitet, materialkostnader og enkel implementering er viktige tekniske hensyn, og legger til, "På grunn av den kompliserte transportfysikken, har termoelektrikk en tendens til å fungere optimalt ved bare en bestemt temperatur."
Tidligere termoelektriske materialesammensetninger var sammensatt av kadmium, tellurid eller kvikksølv - elementer som alle var giftige for mennesker, og ifølge Sainis forskning, ikke så stabile som Ca3Co4Og-kombinasjonen. Tidligere termoelektriske materialer var ikke skalerbare fordi de var avledet fra fremstilling eller fabrikasjon av enkeltkrystaller, noe som er både kostbart og utfordrende. Sainis kjemiske kombinasjon kan muliggjøre storskala anvendelse av denne termoelektriske teknologien fordi kjemikaliene er lett tilgjengelig for å blande og koke for å utlede det ikke-giftige materialet, noe som gjør det enklere å produsere i større partier. Dette gjør funnet til en mulig spillskifter.
"Vi ser for oss mange bruksområder av dette materialet, " sier Saini. University of Utah har søkt om patent. Saini kan ikke avsløre noen spesifikke detaljer, men legger til at det nyvunne materialet kan brukes i smykker, kokekar og biler - eller til og med ha fremtidige medisinske applikasjoner.
Termoelektrisitet - eller elektrisitet produsert gjennom temperaturforskjeller - oppsto i 1821 da Thomas Seebeck og Jean Peltier oppdaget omdannelsen av varme til elektrisitet. Tre tiår senere i 1851 oppdaget William Thomson (også kjent som Lord Kelvin) at det å føre en elektrisk strøm gjennom et materiale kan varme eller avkjøle det, avhengig av hvordan elektronene diffunderes. Siden den gang har feltet fortsatt å utvikle seg mens forskere jobber for å bringe termoelektrisk til en skalerbar teknologi.
Joshua Zide, førsteamanuensis i materialvitenskap og teknikk ved University of Delaware, studerer sjeldne jordartselementer, spesielt terbium, som er en del av den kjemiske elementkombinasjonen for Sainis oppdagelse. Han sier at terbium ikke nødvendigvis er like rikelig som forskerne antyder, selv om mengden som brukes i den kjemiske sammensetningen kan gjøre store mengder til et punktum.
"[Terbium] er faktisk langt vanligere enn tellur, som ofte brukes i termoelektrisk kraft, men faktisk er noe sjelden, " sier Zide. "Dette har resultert i store prisstigninger de siste årene, ettersom etterspørselen har steget både for termoelektriske og CdTe solceller [fotokoltaiske solceller fra cadmium tellurid - de nest vanligste på markedet]."
Saini sier at det tok nesten ti år å ta denne termoelektriske teknologien i bruk, og det opprinnelige målet var å lage et effektivt materiale før teamet la biovennlig til sine endelige krav. Når produktet er patentert, ønsker de å introdusere det kommersielt. "På dette tidspunktet kan vi bare si at i biler er det mye spillvarme, som kan brukes til å konvertere til strøm, " sier Saini.
Framtiden til termoelektrisk kraft er lovende, spesielt med dette nye funnet. Art Gossard, professor i materialer og elektroteknikk og datateknikk ved University of California-Santa Barbara, mener den nye teknologien kan ha fremtidige anvendelser innen militær fremgang, særlig det elektriske skipet.
"Du kan bruke varmen som kom fra kjelene og reaktorene dine til å generere strøm som deretter skulle drive den elektriske motoren og skyve det elektriske skipet, " sier Gossard. - Dette skipet vil ha fordelen av å ikke etterlate seg en søyle med varmt vann som gjør det lettere å spore. Men det vil kreve megawatt kraft, og termoelektrisk er ikke skalert opp i det grad ennå. ”
Med dette materialet, kanskje vi kommer dit.
