Technologie termoelektryczne mogą pomóc w promowaniu przyszłości neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla

Termometry to cud ludzkiej pomysłowości, zbudowany na zrozumieniu stosunkowo prostych, choć niedocenianych zasad fizycznych. Termometry rtęciowe i alkoholowe opierają się na objętości płynu, która rośnie lub kurczy się w odpowiedzi na zmianę temperatury. Kontakt Natomiast termometry na podczerwień odczytują promieniowanie cieplne emitowane przez dowolny obiekt, od patelni po ciało ludzkie..

Natomiast termometry cyfrowe, np. na podczerwień, to stosunkowo nowe wynalazki innego typu To istnieje od setek lat.

Istnieje jednak inny typ termometru cyfrowego, znany jako termopara. Termopary są powszechnie stosowane w zastosowaniach przemysłowych Wykorzystanie zjawiska naturalnego, w wyniku którego spotkanie dwóch różnych temperatur prowadzi do wytworzenia prądu elektrycznego. Zasadę tę można zastosować do pomiaru temperatur i, co bardziej ekscytujące, do pozyskiwania użytecznej energii elektrycznej z codziennych zmian temperatury. Należę do zespołu pracującego nad urzeczywistnieniem tej technologii w praktyce.

Termiczny

W 1821 r. Niemiecki fizyk Thomas Johann Seebeck Zauważ, że pobliska igła kompasu magnetycznego jest odchylana przez zamknięty obwód elektryczny wykonany z dwóch różnych metali. Dwa lata później fizycy Hans Christian Oersted i Jean-Baptiste Joseph podali, że oddziaływanie dwóch metali, po połączeniu w obwód, wygenerowało prąd elektryczny, ponieważ jeden był cieplejszy od drugiego.

To zjawisko fizyczne zostało później nazwane Efekt Seebecka.

Co ciekawe, włoski fizyk Alessandro Volta, na którego cześć nazwano termin wolt, zaobserwował i wyjaśnił to samo zjawisko w 1794 roku. Używanie nerwów martwej żaby. Volta wygenerował prąd elektryczny za pomocą metalowego drutu, dwóch szklanek wody (każda o innej temperaturze) i nerwów żaby jako mostu elektrycznego.

To przerażający obraz, ale zwiastuje przyszłe przełomy naukowe.

Podekscytowani tymi możliwościami naukowcy pracowali nad wykorzystaniem odkryć poprzez wytwarzanie i pozyskiwanie użytecznych ilości prądu elektrycznego po prostu poprzez połączenie dwóch materiałów w różnych temperaturach. Dziś tak to nazywamy Elektryczność cieplnai nadal używamy go w bardzo specyficznych kontekstach.

NASA wykorzystała zalety technologii termoelektrycznej, aby umożliwić eksplorację głębokiego kosmosu poprzez połączenie generatorów termoelektrycznych z materiałami radioaktywnymi jako paliwem.

Obejmuje starty przy użyciu radioizotopowych generatorów termoelektrycznych Łazik Curiosity w 2011 roku, Wytrwałości w 2020 rokuI Planowany start Dragonfly W 2027 roku do księżyca Saturna, Tytana.

Technologia ta przeniknęła nawet do świata kultury popularnej dzięki jej centralnej roli w powieści z 2011 roku i kolejnym filmie o tym samym tytule. Marsjanin Autor: Andy Weir.

Bliżej domu

tu na ziemi, Generatory termoelektryczne były wykorzystywane w odległych obszarach do wytwarzania energii elektrycznej. Na przykład, Mały termoelektryczny moduł, podłączony do czajnika lub przenośnej kuchenki, może naładować Twój telefon podczas biwakowania kosztem paliwa. To tylko mały przykład; Urządzenia termoelektryczne potrafią znacznie więcej.

Społeczeństwa ludzkie wytwarzają nadmierne ilości ciepła w wyniku wielu procesów, od gotowania i działalności przemysłowej po klimatyzację i chłodnictwo. Po zakończeniu tych procesów prawie całe ciepło jest rozpraszane bez wychwytywania energii elektrycznej, którą mogłoby dostarczyć.

Przeczytaj więcej: Dlaczego musimy ponownie wykorzystywać zmarnowaną energię, aby osiągnąć zerowe systemy grzewcze netto

Na przykład tylko około jedna trzecia wyprodukowanej energii jest wykorzystywana w samochodzie napędzanym benzyną Pozostałe dwie trzecie jest tracone w postaci ciepła. To utracone ciepło można przechwycić w celu obsługi urządzeń termicznych, co może się zdarzyć Znacząco poprawia efektywność zużycia paliwa.

To samo możemy zrobić w fabrykach i wielu innych miejscach, gdzie ciepło jest marnowanym produktem ubocznym innej pracy. Budowa tych systemów nam pomoże Osiągnięcie naszego celu zera netto do 2050 r.

Dlaczego więc (dosłownie) nie używamy energii cieplnej do recyklingu ciepła odpadowego?

Mówiąc najprościej, urządzenie termiczne wymaga materiału, który dobrze przewodzi prąd, a słabo przewodzi ciepło. Bez tych cech różnica temperatur i moc generatora pomiędzy obiema stronami urządzenia nie zostaną zachowane.

Na przykład drut miedziany bardzo dobrze przewodzi prąd, ale jest także doskonałym przewodnikiem ciepła. Te cechy sprawiają, że drut jest świetny, ale miedź jest również kiepskim kandydatem w tym zastosowaniu.

Materiały budowlane

Idealne materiały do ​​wytwarzania energii cieplnej nie istnieją w naturze. W związku z tym priorytetem w badaniach nad energią termoelektryczną jest stworzenie wydajnych i niedrogich materiałów, które można byłoby produkować masowo i stosować na dużą skalę – najlepiej przy minimalnych kosztach zasobów.

Do niektórych znanych kandydatów na materiały termoelektryczne zalicza się ołów, ale jego toksyczność i wpływ na środowisko wykluczają go jako realnego kandydata. Należy znaleźć więcej dobrych alternatyw.

Przeczytaj więcej: Most donikąd: Gaz ziemny nie doprowadzi Kanady do przyszłości opartej na zrównoważonej energii

Obecnie wydaje się, że niektóre materiały termoelektryczne mogą pomóc złagodzić kryzys klimatyczny, przed którym stoimy.

Moi koledzy z Uniwersytetu McMaster i ja współpracujemy z partnerami przemysłowymi, aby pomóc w opracowaniu nowych, tańszych i bardziej niezawodnych materiałów. Najważniejsze jest to Zrozumienie zmian w wydajności między Wiele materiałów. Mamy nadzieję opracować materiały, które sprawdzą się zarówno w laboratorium, jak i na dużą skalę.

Często energię elektryczną omawia się w kontekście tego, jak wygenerować jej więcej. Potrzebujemy więcej roślin, więcej paliwa, więcej energii słonecznej, więcej wszystkiego. Sugerujemy, że to tylko połowa obrazu. Musimy także nauczyć się, jak inteligentnie wykorzystywać wszystkie etapy cyklu życia energii, aby nie tylko wytwarzać energię elektryczną, ale także ją magazynować i wykorzystywać technologię termiczną do wychwytywania energii elektrycznej zawartej w cieple odpadowym.

Tylko w ten sposób możemy naprawdę stworzyć bardziej wydajną sieć energetyczną i pomóc w osiągnięciu przyszłości neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla.