Atık Isıyı Temiz Enerjiye Dönüştürmek
Fotoğraf : İki değerli Zn ve Ni katyonlarının CO3O4‘ün spin termoelektrik özellikleri üzerindeki atom yer değiştirme etkilerini gösteren diyagram.
Araştırmacılar süper bilgisayarlar ile termoelektrik üretimi için yeni malzemeler keşfediyor.
Bilgisayarınızdan veya cep telefonunuzdan çıkan sıcaklığı hissediyor musunuz? Tüm bu cihazlardan yayılan bu enerji boşa gidiyor. Otomobillerle, atık ısı nedeniyle yakıt verimliliğinin% 60’ının kaybolduğu tahmin ediliyor. Peki bu enerjiyi yakalamak ve elektriğe dönüştürmek mümkün mü?
Termoelektrik enerji üretimi alanında çalışan araştırmacılara göre bu enerjiyi kazanmak kesinlikle mümkün. Ancak maliyeti sebebiyle etkin bir şekilde yapılıp yapılamayacağı hakkında bir çok soru açığa çıkıyor.
Şuan için termoelektrik jeneratörler; nadiren yakıt ikmalinin mümkün olmadığı uzay sondaları gibi karakteristik uygulamalarda kullanılan nadir bir durum. Termoelektrik, özellikle BMW ve Audi gibi otomobil şirketleri arasında aktif bir araştırma alanı. Ancak, bugüne kadar ısıyı elektriğe dönüştürme maliyetinin, elektriğin kendisinden daha pahalı olduğu kanıtlandı.
University of Texas Permian Basin’de (UTPB) makine mühendisliği konusunda öğretim üyesi olan Anveeksh Koneru, spin polarize malzemelerdeki elektronların kuantum mekaniği hareketlerini kullanarak atık ısıyı yakalamak için yeni bir yöntem araştırıyor.
Parçacık fiziğinde “spin” temel parçacıklar, kompozit parçacıklar (hadronlar) ve atom çekirdeği tarafından taşınan açısal momentumun içsel bir biçimidir. Spin Hall etkisi olarak bilinen bir mekanizma vasıtasıyla, ferromanyetik bir materyale tutturulmuş metal bir temas yüzeyi üzerindeki spin popülasyonlarındaki farklılıklar kullanılarak voltaj üretebileceği ispatlanmıştır. İlk olarak 2008 yılında Japon araştırmacılar tarafından deneysel olarak gösterilen bu fikir bir süre için malzeme bilimi yöntemleriyle denendi, ancak mekanizma için en uygun şekil bulanamadı.
Koneru, kobalt oksidin enerji üretimi üzerindeki etkilerinden yararlanabilmek için doğru malzemeyi bulduğuna inanıyor. Kobalt oksid seramik endüstrisinde mavi renkli camları üretmek için ve su arıtma teknolojilerinde; nikel, bakır, manganez veya çinko ile karışma özelliği gösteren yer değiştiren metal katyonları kabul etme özelliğine sahip inorganik bir bileşiktir. Bu metaller yukarı ve aşağı dönen elektronlar arasındaki ayrımı artıran, ısının elektriğe dönüşümünü hızlandıran manyetik özelliklere sahip.
Koneru, “Materyal iyi bir elektrik iletkeni, fakat ısı iletiminde kötü olmalıdır. Elektronları iletmeli, ısı fononlarını değil. Bunu deneysel olarak inceleyebilmek için binlerce farklı malzeme kombinasyonu üretmek zorunda kalacağız ama biz bunun yerine, birbirinin yerini alabilecek maddeleri kullanarak malzemenin en uygun konfigürasyonunun ne olduğunu teorik olarak hesaplamaya çalışıyoruz.” Dedi.
Koneru, 2018’den bu yana, çeşitli kobalt oksitlerin enerji profillerini çeşitli yer tutucu maddelerle test etmek için Texas Advanced Computing Center’daki (TACC) süper bilgisayarları kullanıyor.
“Her kalibrasyon 30 ila 40 saat hesaplama süresi alıyor ve en az 1.000 ila 1.500 farklı yapılandırma çalışmamız gerekiyor. Bu işlem çok büyük bir hesaplama tesisi gerektiriyor ve bu da TACC’nin sağladığı bir şey.”
Koneru, UTPB yüksek lisans öğrencileri Gustavo Damis Resende, Nolan Hines ve Batı Virginia Üniversitesi’nden Terence Musho’dan bir ortağı ile birlikte Nisan ayında Arizona Phoenix’deki Malzeme Araştırmaları Derneği Bahar Toplantısında kobalt oksitlerin termoelektrik kapasitelerine ilişkin ilk bulgularını sundu.
Araştırmacılar, optimum termoelektrik performans elde etmek için nikel ve çinko yer değişimli atomlarıyla ayarlanan üç kobalt oksit konfigürasyonunda 56-atom birim odacığını inceledi. Her bir konfigürasyon için fiziksel özellikleri hesaplamak amacıyla Quantum ESPRESSO olarak bilinen bir yazılım paketi kullandılar. Bu yazılım içerik olarak:
– Bant aralığı: Bir elektronu enerjiyi ilettiği bir hale getirmek için gereken minimum enerji yani kafes parametresi(kristal kafesdeki hücrelerin fiziksel boyutları).
– Etkili iletken elektron kütlesi: Uygulanan enerji kuvvetine cevap verirken bir partikülün sahip olduğu kütle.
– Döndürme polarizasyonu: Döndürme esnasında bir yöne hizalanma derecesi.
Bu temel özellikler daha sonra kobalt oksidin bir konfigürasyonunun ısıyı elektriğe ne kadar iyi döndürebildiğini, geleneksel yük ve dönüş taşıma hesaplamaları yapmak için kullanılmıştır.
Araştırmacılara göre, bu çalışmada geliştirilen yöntem, yarı iletken ve manyetik özelliklere sahip diğer ilginç termoelektrik malzemelere uygulanabilir, bu da onu malzeme bilimleri topluluğu için geniş ölçüde faydalı kılıyor.
UT Research Cyberınfrastructureların Kullanımı
West Virginia Üniversitesi’nde doktora öğrencisi olan Koneru, araştırmasını yürütmek için süper bilgisayarlara erişime sahip. Her ne kadar UTPB yerel olarak bu tür kaynaklara sahip olmasa da, 2007’den bu yana Texas Üniversitesi’nin herhangi bir üniversitesinden herhangi birinde araştırmacılara hizmet veren UT Research Cyberinfrastructure (UTRC) girişimi aracılığıyla TACC’nin gelişmiş bilgi işlem sistemlerine ve hizmetlerine erişebildi. Kurumlar TACC’nin kaynaklarına, uzmanlığına ve eğitimine erişebiliyor.
UTRC girişiminin bir parçası olarak, TACC personeli UT Sistemin 14 kampüsünü ziyaret ederek, eğitim ve danışmanlık hizmeti sunan ve araştırmacılara kendilerine sunulan kaynakları tanıtan irtibat görevini üstlendi. TACC araştırmacısı Ari Kahn, UTPB’yi ziyaret ettiğinde, Koneru ile tanıştı ve TACC’de hesaplamalar yapması konusunda onu teşvik etti.
O zamandan beri, Koneru çalışmaları için sadece UT Sistem araştırmacıları için bir sistem olan Lonestar5’i kullanıyor. Hala erken aşamalarında olmalarına rağmen sonuçlar umut verici.
“Heyecanlıyım çünkü kobalt oksit spinellerin nikel ile yer değiştirildiğinde spin polarizasyonunu açıkça görebiliyoruz bu iyiye işaret. Özel bir konfigürasyonun bant aralığı bakımından daha yüksek bir bölünmeye sahip olduğunu gözlemledik, bu şaşırtıcı bir şey ve daha fazla araştırmamız gerekiyor. Tüm kalibrasyonlar yakınsa bu da güvenilir sonuuçlar aldığımızı gösterir.”
Koneru atık ısı dönüşümü için en uygun malzemeyi tanımladığında; bir aracın egzoz borusuna uygulanabilecek bir macun yapmayı ve atık ısıyı bir otomobilin elektrik sistemlerini çalıştırmak için elektriğe dönüştürebilmeyi umuyor. Böyle bir cihazın araç başına 500 dolardan daha az tutabileceğini ve sera gazı emisyonlarını yılda yüz milyonlarca azaltabileceğini tahmin ediyor.
“Nanofabrikasyondaki son gelişmeler ve nanomalzemeler için hesaplama kalibrasyonları ile spin-termal malzemeler gelecekte enerji dönüşümünde hayati bir rol oynayabilir” diyor.
TACC, Koneru’nun çok sayıda olası malzeme konfigürasyonunda hızlanmasını sağlıyor, böylece deneysel olarak test etme zamanı geldiğinde aday sayısı yönetilebilir.
Koneru, “TACC, herhangi bir sorun ortaya çıkarsa size rehberlik edebilecek personeli ile oldukça kullanışlı bir sistem ,eğitim görevlileri/öğrenciler hesaplama olanakları gerektiren araştırmalarla ilgileniyorlarsa TACC seçmek için doğru bir seçenek. Size ücretsiz kaynaklar ve uzmanlık sağlar. Bu çalışmanız konusunda hırslı olmanız için harika bir olanak.”
TACC’den Ari Han, “Devletin dört bir yanındaki araştırmacıları, laboratuarda yapılamayan veya yerel kümeleri kullanarak inanılmaz keşifler yapmaları için TACC kaynaklarını kullanmaya teşvik etmek bizim görevimiz. Koneru’nun araştırması, hava kirliliği ve küresel ısınma üzerinde önemli bir etkisi olabilecek harika bir proje örneği.”
Kaynak : sciencedaily.com
