Hőből hideg energia

Mercouri Kanatzidis egy olyan hűtőgépet álmodott meg, ami feleslegessé teszi a hűtőgépszerelők munkáját. Búcsút mondhatnánk a zajos kompresszoroknak, a környezetvédelem szempontjából kétes értékű hűtőanyagoknak és a hűtőtekercsek alatt megbújó pornak.

Ehelyett a szerkezet a jégszekrény belsejének hidegen tartásához kizárólag speciálisan megtervezett félvezetőkön áthaladó elektromosságra hagyatkozna, magyarázta a Michigan Egyetem kémiaprofesszora. Ugyanezek a félvezetők alkalmazhatók lennének a gépjárművek kipufogócsöveiből, az erőművek hatalmas kéményeiből vagy egyéb forrásokból származó, amúgy a levegőbe távozó hő értékes elektromossággá alakítására. Eddig túl bonyolult volt a megfelelő jellemvonásokkal rendelkező félvezetők nagy méretben történő előállítása, ami az elgondolások működő eszközökbe öntésének alapvető feltétele.

Most Dr. Kanatzidis és munkatársai egy olyan félvezetőrecepttel álltak elő, ami ezeket a reményeket közelebb viheti a valósághoz. Az anyag ezüst, ólom, antimon és tellurium elegye. Termoelektromos értéke kategóriájában az eddig elért legmagasabbnak tűnik, azaz bármely más hasonló anyagnál hatékonyabb a hő elektromossággá alakításában. Valójában a fenti érték már annyira magas, hogy kezd versenyképes lenni a jelenlegi energia előállító és hűtő technikákkal - állítják a tudósok -, ami elsősorban az ezüst és az antimon egymással való speciális elrendeződésének köszönhető.

Az új anyag magas technikai szintű megvalósítása ellenére a mögötte húzódó működési alapelv igen egyszerű. Kapcsoljunk össze két különböző anyagból készült vezetéket, adjunk nekik elektromos áramot és a vezetékek egyike fűteni fog, míg a másik hűteni. Ha a vezetékeket mindkét végükön összekötjük, azaz egy zárt hurkot képzünk és az egyik csatlakozási pontot magasabb vagy alacsonyabb hőmérsékletnek tesszük ki mint a másikat, akkor az áram átfolyik a hurkon. Ezeket a jellemvonásokat az 1800-as évek elején fedezték fel először, közölte Kanatzidis. A felfedezés az 1940-es és 50-es évekig csupán érdekesség maradt, ekkor fejlesztették ki a félvezetőket. A félvezetők megalkothatók lennének úgy, hogy ugyanazokat a termoelektromos jellegzetességeket mutassák mint a hagyományos vezetők.


Mercouri Kanatzidis
Valójában a kutatók kezdetben úgy tervezték, hogy a félvezetőket nagybani termoelektromos hűtéshez és energia-előállításhoz használják, a széleskörű alkalmazásra vonatkozó remények azonban nem bizonyultak megvalósíthatónak. A terület az 1990-es években jelentős lökést kapott amikor a kutatók rájöttek, hogy az anyag teljesítménye növelhető méretének csökkentésével. Ez vezetett vékony hártyaszerű anyagok kifejlesztéséhez. A fogyasztók számára ez a fejlődés többek között a kis italhűtőkben mutatkozott meg, melyeket az autó szivargyújtójára kötve használhatunk. Finnországban egy cég félvezetőkből megalkotott egy termoelektromos generátort, ami a forrásban lévő víz energiáját használja a fűtési rendszer keringtető pumpájának működtetéséhez. A piac tehát jelenleg is kicsi és specializált.

A széleskörű alkalmazásokhoz "nagy szükség van az ömlesztett anyagokra, mivel a vékony hártyák előállítása bonyolult és költséges", mondta Kanatzidis. "Rengeteg kísérletezés és kudarc övezte munkánkat", tette hozzá. Az eredmény mindazonáltal egy anyag, ami kétszer olyan hatékonnyá tesz egy termoelektromos eszközt, mint a korábban előállított anyagok. Bár az elmúlt években sok próbálkozás volt a karbantartásmentes hűtőgép előállítására, Kanatzidis szerint a megoldás kulcsa az energiaellátásban van, amihez a kutatóknak javítaniuk kell ezeken az anyagokon.

A közelebbi távlatokat tekintve, ha sikerülne a keletkező hő egy részét is elektromossággá alakítani több elektromosságot tudnánk kifacsarni minden egyes tonnányi szénből, köbméter gázból vagy hordónyi olajból.