Každé zadanie pre umelú inteligenciu, prevádzka elektromobilu či výrobná linka vytvárajú veľké množstvo tepla, ktoré dnes vo väčšine prípadov končí bez úžitku v okolí. Vedci z Južnej Kórei teraz predstavili objav, ktorý by mohol výrazne zvýšiť efektivitu technológií premieňajúcich odpadové teplo späť na elektrickú energiu.

Za výskumom stojí tím z juhokórejskej univerzity POSTECH pod vedením profesora Chang-Ki Baeka. Vedcom sa podarilo objasniť mechanizmus, ktorý môže prekonať jednu z najväčších prekážok termoelektrických zariadení, nízku účinnosť kremíkových materiálov. Výsledky publikovali v prestížnom vedeckom časopise Nano Energy.

Objav prichádza v období, keď spotreba energie dátových centier, systémov umelej inteligencie aj elektromobilov neustále rastie. S rastúcim výkonom totiž rastie aj množstvo tepla, ktoré je potrebné odvádzať.

Práve jeho opätovné využitie patrí medzi najväčšie výzvy modernej energetiky. Ak by sa podarilo odpadové teplo efektívne premieňať na elektrinu, mohlo by to znížiť energetické straty v priemysle aj spotrebu elektrickej energie.

Kľúčom sú duté kremíkové nanotrubice

Termoelektrické zariadenia vyrábajú elektrinu výhradne z rozdielu teplôt. Takéto riešenia sa uplatňujú napríklad pri rekuperácii odpadového tepla vo fabrikách, chladení batérií elektromobilov alebo dokonca v jadrových batériách určených pre vesmírne sondy.

Doteraz sa však vo veľkej miere využívali materiály obsahujúce vzácne prvky, ako bizmut alebo telúr. Tie sú drahé, ich zásoby sú obmedzené a ceny výrazne ovplyvňuje situácia na svetových trhoch.

Kremík predstavuje oveľa dostupnejšiu alternatívu. Je jedným z najrozšírenejších prvkov na Zemi a zároveň je plne kompatibilný so súčasnou výrobou polovodičov. Jeho nevýhodou však bola nízka účinnosť pri premene tepla na elektrinu.

Vedci sa preto rozhodli zmeniť samotnú štruktúru materiálu. Namiesto klasických plných nanodrôtov vytvorili duté kremíkové nanotrubice, ktoré pripomínajú mikroskopické rúrky.

Výsledky boli prekvapivé. Nová konštrukcia znížila tepelnú vodivosť približne o 70 % v porovnaní s klasickými nanodrôtmi. Aj pri rovnakom pomere povrchovej plochy vykazovali nanotrubice približne o tretinu nižší prenos tepla.

Pomohol doteraz málo využívaný fyzikálny jav

Vedci zistili, že za týmto efektom stojí jav označovaný ako lokalizácia fonónov. Fonóny predstavujú kvázičastice opisujúce vibrácie, ktorými sa v pevných materiáloch prenáša teplo.

Unsplash/Copilot Designer (Úprava redakcie)

Pri lokalizácii sa tieto vibrácie nešíria celým materiálom, ale zostávajú zachytené v určitých oblastiach. Výskumníci tento jav prirovnávajú k vlnám, ktoré uviaznu za vlnolamom a nedokážu pokračovať ďalej.

Doteraz sa predpokladalo, že podobný efekt nastáva len pri extrémne nízkych teplotách alebo vo veľmi zložitých štruktúrach. Nový výskum však ukázal, že sa môže objaviť aj pri jednoduchých kremíkových nanotrubiciach a pri teplotách blízkych bežným prevádzkovým podmienkam.

Ak sa podarí tento mechanizmus preniesť do komerčných produktov, mohol by výrazne zvýšiť účinnosť systémov premieňajúcich odpadové teplo na elektrickú energiu. To by našlo uplatnenie nielen v priemysle, ale aj v dátových centrách, ktoré musia kvôli rozmachu umelej inteligencie odvádzať čoraz väčšie množstvo tepla.

Profesor Chang-Ki Baek zároveň upozornil, že technológia využíva bežné polovodičové výrobné procesy a nevyžaduje vzácne kovy. Práve to by mohlo výrazne uľahčiť jej budúce nasadenie vo veľkom meradle a znížiť závislosť od drahých surovín.

Čítajte viac z kategórie: Ekológia