Исследователи, работающие в области термоэлектрической генерации, говорят абсолютно. Но можно ли это сделать с минимальными затратами, остается вопросом.
На данный момент термоэлектрические генераторы – большая редкость, они используются в основном в нишевых приложениях, таких как космические зонды, где дозаправка невозможна.
Термоэлектричество – активная область исследований, особенно среди автомобильных компаний, таких как BMW и Audi. Однако на сегодняшний день затраты на преобразование тепла в электричество оказались дороже, чем стоимость самого электричества.
Анвикш Конеру, старший преподаватель кафедры машиностроения в Пермском бассейне Техасского университета (UTPB), изучает новый метод улавливания отработанного тепла путем использования квантово-механических движений электронов в спин-поляризованных материалах.
В физике элементарных частиц спин – это внутренняя форма углового момента, переносимого элементарными частицами, составными частицами (адронами) и атомными ядрами. С помощью механизма, известного как эффект спинового холла, было показано, что напряжение можно генерировать, используя различия в спиновых заселенностях на металлическом контакте, прикрепленном к ферромагнитному материалу.
Идея, впервые экспериментально продемонстрированная японскими исследователями в 2008 году, какое-то время распространялась через материаловедение, но еще не нашла свою оптимальную форму.
Конеру считает, что в оксиде кобальта он, возможно, нашел подходящий материал, чтобы использовать эффект для производства энергии. Неорганическое соединение, используемое в керамической промышленности для создания глазурей синего цвета и в технологиях отделения воды, оксиды кобальта обладают уникальной способностью принимать замещающие катионы переходных металлов, что позволяет им смешивать с никелем, медью, марганцем или цинком. Эти металлы обладают магнитными свойствами, которые могут увеличивать разделение между электронами, вращающимися вверх и вниз, и улучшать преобразование тепла в электричество.
"Материал должен быть хорошим проводником, но плохим проводником тепла. Он должен проводить электроны, но не фононы, которые являются теплом », – сказал Конеру. "Чтобы изучить это экспериментально, нам пришлось бы изготовить тысячи различных комбинаций материалов.
Вместо этого мы пытаемся теоретически рассчитать оптимальную конфигурацию материала с помощью замен."
С 2018 года Koneru использует суперкомпьютеры в Техасском вычислительном центре (TACC) для виртуального тестирования энергетических профилей различных оксидов кобальта с различными заменами.
«Каждая калибровка занимает от 30 до 40 часов вычислительного времени, и мы должны изучить как минимум от 1000 до 1500 различных конфигураций», – пояснил он. "Это требует огромных вычислительных мощностей, и это то, что обеспечивает TACC."
Конеру вместе с аспирантами UTPB Густаво Дамисом Ресенде, Ноланом Хайнсом и сотрудником из Университета Западной Вирджинии Теренсом Мушо представили свои первые выводы о термоэлектрической емкости оксидов кобальта на весеннем собрании Общества исследования материалов в Фениксе, штат Аризона, в апреле.
22.
Исследователи изучили элементарные ячейки с 56 атомами трех конфигураций оксида кобальта, настроенные за счет замещения никеля и цинка, для достижения оптимальных термоэлектрических характеристик. Они использовали программный пакет, известный как Quantum ESPRESSO, для расчета физических характеристик для каждой конфигурации. Это включает:
– запрещенная зона: минимальная энергия, необходимая для возбуждения электрона до состояния, в котором он проводит энергию; параметр решетки: физические размеры ячеек в кристаллической решетке;
– эффективная масса электронов проводимости: масса, которую, по-видимому, имеет частица, реагируя на силу;
– и спиновая поляризация: степень, в которой спин выровнен с заданным направлением.
Эти фундаментальные свойства затем были использованы для выполнения обычных расчетов переноса заряда и спина, которые показывают исследователям, насколько хорошо конфигурация оксида кобальта может превращать тепло в электричество.
По словам исследователей, метод, разработанный в этом исследовании, может быть применен к другим интересным термоэлектрическим материалам с полупроводниковыми и магнитными свойствами, что делает его широко полезным для сообщества ученых-материаловедов.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ UT RESEARCH CYBERINFRASTRUCTURE
Будучи аспирантом Университета Западной Вирджинии, Конеру имел доступ к большим суперкомпьютерам для проведения своих исследований. Хотя UTPB не имеет таких ресурсов на местном уровне, он смог подключиться к передовым вычислительным системам и услугам TACC через инициативу UT Research Cyberinfrastructure (UTRC), которая с 2007 года предоставляет исследователям в любой из 14 Системных систем Техасского университета. доступ учреждений к ресурсам, опыту и обучению TACC.
В рамках инициативы UTRC сотрудники TACC служат связными, посещая 14 кампусов UT System, предлагая обучение и консультации, а также знакомя исследователей с доступными им ресурсами. Когда исследователь TACC Ари Кан посетил UTPB, он встретил Конеру и призвал его проводить вычисления в TACC.
С тех пор Конеру в своей работе использует Lonestar5, систему исключительно для исследователей UT System.
Хотя все еще на ранней стадии, результаты пока многообещающие.
"Я взволнован, потому что мы могли ясно видеть поляризацию спина, когда шпинели оксида кобальта были заменены никелем.
Это хороший знак ", – сказал он. «Мы видим, что одна конкретная конфигурация имеет более высокое разделение ширины запрещенной зоны, что удивительно, и мы должны изучить дальнейшее. И все калибровки сходятся, что показывает их надежность."
Определив оптимальный материал для преобразования отработанного тепла, Конеру надеется разработать пасту, которую можно было бы нанести на выхлопную трубу транспортного средства, преобразовывая отработанное тепло в электричество для питания электрических систем автомобиля. По его оценкам, такое устройство может стоить менее 500 долларов за автомобиль и может сократить выбросы парниковых газов на сотни миллионов тонн ежегодно.
«Благодаря недавним достижениям в области нанопроизводства и вычислительной калибровки наноматериалов спин-термические материалы могут сыграть жизненно важную роль в преобразовании энергии в будущем», – сказал он.
TACC позволяет Koneru ускорить рассмотрение большого количества возможных конфигураций материалов, так что, когда придет время протестировать их экспериментально, количество кандидатов будет управляемым.
«TACC – очень полезная система с персоналом, который может помочь вам в случае возникновения каких-либо проблем», – сказал Конеру. "Если преподаватели или студенты заинтересованы в исследованиях, требующих вычислительных средств, TACC – правильный выбор.
Он предоставляет ресурсы и знания бесплатно. Это отличный помощник для всего, чем вы увлечены. "
«Наша миссия – побудить исследователей всего штата использовать ресурсы TACC, чтобы делать удивительные открытия, которые невозможно сделать в лаборатории или с использованием местных кластеров», – сказал Ари Хан из TACC. "Доктор. Исследование Конеру – отличный пример такого проекта, который может оказать серьезное влияние на загрязнение воздуха и глобальное потепление."