מה המשותף למנוע רכב, לתחנת כוח, למפעל וללוח סולארי? כולם מייצרים חום – שמרביתו הולכת לאיבוד.
פיסיקאים מאוניברסיטת אריזונה גילו שיטה חדשה לניצול אובדני חום והמרתם לאנרגיה חשמלית.
באמצעות שימוש במודל תיאורטי המכונה התקן תרמו-חשמלי מולקולארי פותחה טכנולוגיה זו, שבה טמונה הבטחה כבירה להפיכתם של מכוניות, תחנות כוח, מפעלים ולוחות סולאריים ליעילים יותר בפעילותם, אם נציין אחדים מהיישומים האפשריים שלה. בנוסף, חומרים תרמו-חשמליים יעילים יותר ייתרו לחלוטין את השימוש בחומרים התורמים לפגיעה באוזון. בראש קבוצת המחקר עמד Charles Stafford, פרופסור לפיסיקה, ומאמר, המתאר את הממצאים, פורסם בכתב-העת המדעי ACS Nano.
"תרמו-חשמליות (Thermoelectricity) מאפשרת לבצע המרה נקייה של חום ישירות לאנרגיה חשמלית בתוככי התקן הנעדר חלקים נעים," אמר אחד מהשותפים למחקר. "העמיתים שלנו לתחום המחקר אומרים לנו כי הם די משוכנעים שההתקנים שתכננו באופן ממוחשב ניתנים לבנייה וכן שיהיו גלומים בהם אותן התכונות שהבחנו בהן בהדמיות שלנו."
"אנו צופים כי המתח התרמו-חשמלי שנוכל להפיק באמצעות המערכת שלנו יהיה פי מאה גדול יותר מהערך שהושג בהתקנים אחרים," מציין החוקר הראשי.
לכידת הפסדי האנרגיה דרך אובדני חום הייתה אחת ממשאות נפשם של מהנדסים מזה זמן רב, אולם, עד כה, הרעיון להחליף התקנים קיימים שיהיו הן יעילים יותר והן תחרותיים יותר באופן מסחרי, לא התממש במלואו.
בניגוד להתקני המרת חום קיימים, כגון מקררים וטורבינות קיטור, ההתקן החדשני אינו מחייב קיומם של חלקים נעים או של כימיקלים הפוגעים בשכבת האוזון. במקום זאת, פולימר דמוי-גומי התחוב בין שתי מתכות המשמשות כאלקטרודות מסוגל לבצע את המשימה. ניתן יהיה לצפות את צינורות הפליטה של רכב או של מפעל בחומר זה, שעוביו כמיליונית הסנטימטר, בכדי לנצל את האנרגיה שאחרת הייתה מתבזבזת כחום לטובת הפקת חשמל.
הפיסיקאים מנצלים את החוקים של פיסיקה קוונטית, תחום שלא מגיעים אליו, בדר"כ, בפיתוח טכנולוגי-הנדסי של הפקת אנרגיה. המפתח לניצול הטכנולוגיה טמון בחוק קוונטי שהפיסיקאים מכנים "כפילות גל-חלקיק": גופים זערוריים, כגון אלקטרונים, יכולים להתנהג הן כגל והן כחלקיק. "במובן מסוים, אלקטרון הוא כעין מכונית ספורט אדומה," אומר החוקר הראשי. "מכונית הספורט היא גם מכונית והיא גם אדומה, בדיוק כפי שאלקטרון הוא גם חלקיק וגם גל. שניהם מאפיינים של אותו הדבר. פשוט, אלקטרונים פחות בולטים עבורנו מאשר מכוניות ספורט."
החוקרים גילו את היכולת להמיר חום לחשמל כאשר הם חקרו אתרים רב-פנוליים, פרודות המתגודדות יחדיו באופן עצמאי לכדי פולימרים – שרשראות ארוכות של יחידות החוזרות על עצמן. השלד של כל אחת מפרודות האתר הרב-פנולי מורכב משרשרת של טבעות בנזן. מבנה השרשרת המגשר של כל פרודה מתנהג כאילו היה "תיל מולקולארי" שדרכו מסוגלים האלקטרונים לנוע. באמצעות הדמיות מחשב, החוקרים "הצמיחו" יער של פרודות הממוקמות בין שתי אלקטרודות ואשר חושפות את המערך למקור חום מדומה. "ככל שאתה מגדיל את מספר טבעות הבנזן בכל אחת מהפרודות, כך אתה מפיק יותר אנרגיה," מציין החוקר. הסוד ליכולתה של הפרודה להמיר חום לאנרגיה טמון במבנה שלה: בדומה לזרם מים המגיע להתפצלות בנהר, זרם האלקטרונים לאורך הפרודה מתחלק לשניים ברגע שהוא מגיע לטבעת הבנזן, כאשר כל אחד מזרמי האלקטרונים משתלב בכל אחת מהזרועות של הטבעת.
החוקרים תכננו את מסלול טבעת הבנזן בצורה כזו שבאחד הנתיבים האלקטרונים מאולצים לעבור מרחק גדול יותר מסביב לטבעת מאשר בנתיב השני. עובדה זו גורמת לגלי האלקטרונים שלא להיות באותו המופע (פאזה) כאשר הם נפגשים שוב בחלקה הרחוק יותר של טבעת הבנזן. כאשר הגלים נפגשים, הם מקזזים אחד את השני בתהליך המכונה "התאבכות קוונטית" (quantum interference). כאשר מוסיפים למסלול הטבעת הבדלי טמפרטורה, התאבכות זו של זרם המטען החשמלי מובילה להצטברות של פוטנציאל חשמלי – מתח – בין שתי האלקטרודות. התאבכות גלים הינה תהליך המנוצל באוזניות המנטרלות רעשים: גלי-קול נכנסים פוגשים בגלים מנוגדים להם שנוצרו ע"י ההתקן, וכך מנטרלים את רעשי הרקע. "אנו הראשונים שמצליחים לנצל את אופיו הגלי של האלקטרון ולפתח את הרעיון של המרתו לאנרגיה שימושית," מסביר החוקר הראשי.
"אתה פשוט יכול לקחת זוג של אלקטרודות מתכת ולצפות אותן בשכבה יחידה של חומר זה," מסביר החוקר. "בכך בעצם יצרת התקן תרמו-חשמלי. אם יש בידך התקן במצב מוצק אתה לא צריך גורמי קירור, אתה לא צריך משלוחים של חנקן נוזלי ואין צורך בתחזוקה רבה. "ניתן לומר כי במקום בגז פראון, אנו משתמשים בגז אלקטרונים," מסביר החוקר. "התוצאות שקיבלנו אינן ייחודיות לפרודות המסוימות שהשתמשנו בהן בהדמיות שלנו," אמר החוקר. "כל התקן קוונטי שבו מתקיים נטרול של מטען חשמלי יעבוד כך, כל עוד קיים פער טמפרטורות. ככל שפער הטמפרטורות גדול יותר, כך ניתן להפיק יותר אנרגיה." התקנים תרמו-חשמליים מולקולאריים יוכלו לסייע בפיתרון הבעיות הקיימות היום בתאים פוטו-וולטאיים המנצלים את אנרגיית השמש. "לוחות סולאריים מתחממים מאוד והיעילות שלהם פוחתת, כתוצאה מכך," אומר החוקר. "ניתן לנצל בחזרה חלק מהחום הזה ולהשתמש בו בכדי להפיק כמות נוספת של חשמל ובה-בעת לגרום לקירור הלוח ולהגדיל את יעילות הביצועים של התהליך הפוטו-וולטאי."
"באמצעות התקן תרמו-חשמלי יעיל מאוד המבוסס על התכנון שלנו ניתן להפעיל כמאתיים נורות חשמל של מאה ואטים באמצעות אובדני החום של מכונית," אמר החוקר. "כלומר, ניתן לשפר את יעילות הרכב בכעשרים וחמישה אחוזים, ערך היכול להיות אידיאלי עבור רכבים היברידיים מאחר והם משתמשים בכל מקרה במנוע חשמלי."