Isıyı Enerjiye Dönüştürmek için Çevre Dostu Bir Çözüm

Fotoğraf: NASA’nın Mars’taki Perseverance uzay aracı, Dünya’da çok ihtiyaç duyulan bir şeyden güç alıyor: ısıyı elektriğe dönüştüren bir termoelektrik cihaz.

Mars’taki ısı kaynağı, plütonyumun radyoaktif bozunmasıdır ve cihazın verimliliği %4-5’tir. Bu Perseverance için oldukça yeterli, ancak Dünya’daki uygulamalar için yeterince iyi değildir.

Güney Kore’den bir bilim insanı ekibi, cihazı geliştirmede kullanılabilecek yüksek performanslı bir termoelektrik malzeme geliştirdi. Malzeme polikristal formda saflaştırılmış kalay selenit içermektedir ve en verimli termoelektrik sistem olma özelliğine sahiptir. Araştırmacılar, daha önceki çalışmalarda performansı düşüren bir oksidasyon sorununu belirleyip ortadan kaldırdıktan sonra yüksek dönüşüm oranına ulaşabildiler.

Polikristal kalay selenit, çeşitli endüstrilerdeki katı hal termoelektrik cihazlarında kullanılmak üzere geliştirilebilir ve potansiyel olarak yüksek enerji tasarrufu sağlarlar. Temel uygulama hedeflerinden biri, endüstriyel (elektrik santralleri, otomobil endüstrisi ve cam ve tuğla üretimi) atık ısıyı elektriğe dönüştürmektir. Dünya genelinde fosil yakıtlardan üretilen enerjinin %65’inden fazlası atık ısı olarak kaybolmaktadır.

Bir kimyager olan Mercouri Kanatzidis, “Termoelektrik cihazlar yalnızca Mars’taki uzay aracı gibi niş uygulamalarda kullanılmaktadır.” dedi ve ekledi “Bu cihazlar güneş pilleri gibi yaygınlaşmadı ve cihazları iyileştirmek için büyük zorluklar var. Düşük maliyetli ve yüksek performanslı bir malzeme geliştirmeye ve termoelektrik cihazları daha da yaygınlaştırmaya odaklanıyoruz”.

Kanatzidis, termoelektrik cihazların zaten iyi tanımlandığını söylüyor, ancak onların çalışma potansiyelini etkileyen şey içindeki termoelektrik malzemedir. Cihazın bir tarafı sıcak bir tarafı soğuktur ve termoelektrik malzeme ortada bulunmaktadır. Isı malzemenin içinden akar ve ısının bir kısmı elektriğe dönüştürülür, üretilen elektrik de cihazı kablolar aracılığıyla terk eder.

Termoelektrik malzemenin dönüşümde verimli olması için elektrik iletkenliğini korurken, son derece düşük termal iletkenliğe sahip olması gerekir. Ayrıca ısı kaynağı 400-500 ^OC ye kadar çıkabileceğinden, malzemenin çok yüksek sıcaklıklarda kararlı olması gerekir. Bu zorluklar, termoelektrik cihazların üretilmesini güneş pillerinden daha zor hale getiriyor.

Garip Bir Şey Keşfedildi

2014 yılında Kanatzidis ve ekibi, atık ısıyı faydalı elektriğe dönüştürmede şaşırtıcı bir malzemenin keşfini bildirdi: kalay selenit bileşiğinin kristal formu. Önemli bir keşif olsa da tekli kristal form, kırılganlığı ve pul pul olma eğilimi nedeniyle seri üretim için pratik değildir.

Daha güçlü olan ve uygulamalar için kesilip şekillendirilebilen polikristal formda kalay selenit gerekliydi, bu nedenle araştırmacılar malzemeyi bu formda incelemeye başladılar. Beklenmedik bir şekilde malzemenin termal iletkenliğinin yüksek olduğunu buldular.

Kanatzidis, “Garip bir şeyler olduğunu fark ettik” dedi. “Beklentimiz, polikristal formdaki kalay selenidin yüksek ısı iletkenliğine sahip olmamasıydı, ama öyle olmadı. Bu durum bir sorun yarattı.”

Daha yakından incelendiğinde, araştırmacılar malzeme üzerinde oksitlenmiş bir kalay yüzeyi keşfettiler. Isı iletken yüzeyden akarak termoelektrik bir cihazda istenmeyen termal iletkenliği arttırdı.

Kapıları Açan Bir Çözüm Bulundu

Oksidasyonun hem sürecin kendisinden hem de başlangıç malzemelerinden geldiğini öğrendikten sonra, Koreli ekip oksijeni ortadan kaldırmanın bir yolunu buldu. Araştırmacılar daha sonra test ettikleri oksijensiz kalay selenit peletleri üretebildiler.

Polikristal formun termal iletkenliği ölçüldü ve başlangıçta beklendiği gibi daha düşük olduğu bulundu. Isıyı elektriğe dönüştüren bir termoelektrik cihaz olarak performansı, tekli kristal formun performansını aşarak kayıtlardaki en verimli cihaz olmasını sağladı.

Kanatzidis, “Bu durum, polikristal kalay selenit peletlerinden yapılacak yeni cihazlar ve bunların uygulamalarının keşfedilmesi için kapıları açıyor.” dedi.

Termoelektrik malzeme için potansiyel uygulama alanları arasında otomobil endüstrisi, ağır imalat endüstrileri (cam ve tuğla yapımı, rafineriler, kömür ve gazla çalışan enerji santralleri gibi) ve büyük yanmalı motorların sürekli çalıştığı yerler (büyük gemiler ve tankerler gibi) yer almaktadır.

Makale “Polycrystalline SnSe with a thermoelectric figure of merit greater than the single-crystal” başlığı ile Nature Materials dergisinde yayınlanmıştır.

Kaynak: phys.org