מה המשותף למנוע רכב, לתחנת כוח, למפעל וללוח סולארי? כולם מייצרים חום – שמרביתו הולכת לאיבוד.
פיסיקאים מאוניברסיטת אריזונה גילו שיטה חדשה לניצול חום מבוזבז והמרתו לאנרגיה חשמלית. הטכנולוגיה פותחה באמצעות מודל תיאורטי המכונה התקן תרמו-חשמלי מולקולארי (molecular thermoelectric device). היא עשויה להפוך מכוניות, תחנות כוח, מפעלים ולוחות סולאריים ליעילים יותר, ואלה רק חלק מהיישומים האפשריים שלה. בנוסף, חומרים תרמו-חשמליים יעילים יותר ייתרו לחלוטין את השימוש בחומרים הפוגעים בשכבת האוזון.
בראש קבוצת המחקר עמד צ'רלס סטפורד (Charles Stafford), פרופסור לפיסיקה, והמאמר המתאר את הממצאים פורסם בכתב-העת המדעי ACS Nano.
"תרמו-חשמליות (Thermoelectricity) מאפשרת לבצע המרה נקייה של חום ישירות לאנרגיה חשמלית בתוך 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 שנגרמים בגלל חום מבוזבז הייתה אחת ממשאות נפשם של מהנדסים מזה זמן רב. עד 2010 הרעיון להחליף התקנים קיימים בהתקנים שיהיו הן יעילים יותר והן תחרותיים יותר מבחינה מסחרית 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, כדי לנצל את האנרגיה שאחרת הייתה מתבזבזת כחום לטובת הפקת חשמל.
איך פועל ההתקן
הפיסיקאים מנצלים את החוקים של הפיסיקה הקוונטית, תחום שלא מגיעים אליו, בדרך כלל, בפיתוח טכנולוגי-הנדסי של הפקת אנרגיה. המפתח לניצול הטכנולוגיה טמון בחוק קוונטי שהפיסיקאים מכנים "כפילות גל-חלקיק" (wave-particle duality): 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 חקרו אתרים רב-פנוליים (polyphenyl ethers), מולקולות המתגודדות יחדיו באופן עצמאי לכדי פולימרים – שרשראות ארוכות של יחידות החוזרות על עצמן. השלד של כל אחת מהמולקולות של האתר הרב-פנולי מורכב משרשרת של טבעות בנזן. מבנה השרשרת המגשר של כל מולקולה מתנהג כאילו היה "תיל מולקולארי" שדרכו מסוגלים האלקטרונים לנוע.
באמצעות הדמיות מחשב, החוקרים "הצמיחו" יער של מולקולות הממוקמות בין שתי אלקטרודות, וחשפו את המערך למקור חום מדומה. "ככל שאתה מגדיל את מספר טבעות הבנזן בכל אחת מהמולקולות, כך אתה מפיק יותר אנרגיה," מציין החוקר. הסוד ליכולתה של המולקולה להמיר חום לאנרגיה טמון במבנה שלה: בדומה לזרם מים המגיע להתפצלות בנהר, זרם האלקטרונים לאורך המולקולה 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 היא תהליך המנוצל גם באוזניות המנטרלות רעשים: גלי-קול נכנסים פוגשים בגלים מנוגדים להם שנוצרו על ידי 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.
יישומים אפשריים
"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 למולקולות 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 בפתרון הבעיות הקיימות 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 כדי 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 החום המבוזבז 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."
שאלות ותשובות
מה גילו הפיסיקאים מאוניברסיטת אריזונה?
הם גילו, באמצעות הדמיות מחשב, שמולקולות מסוימות הממוקמות בין שתי אלקטרודות מתכת יכולות להמיר חום מבוזבז לחשמל. ההתקן שהם תכננו הוא מצב מוצק ואינו כולל חלקים נעים.
כיצד המולקולות ממירות חום לחשמל?
זרם האלקטרונים במולקולה מתפצל לשני נתיבים סביב טבעת בנזן, ואחד הנתיבים ארוך יותר. כשיש הבדל טמפרטורות בין האלקטרודות, גלי האלקטרונים מקזזים זה את זה בהתאבכות קוונטית, וכך נוצר מתח חשמלי.
איפה אפשר להשתמש בהתקן הזה?
לפי החוקרים, אפשר לצפות בחומר צינורות פליטה של רכב או של מפעל, וכן לנצל את החום של לוחות סולאריים. החוקר הראשי העריך שהחום המבוזבז של מכונית מספיק להפעלת כמאתיים נורות של מאה ואט.
האם ההתקן כבר נבנה בפועל?
לא. התוצאות התקבלו בהדמיות מחשב, ועמיתים בתחום אמרו לחוקרים שלדעתם אפשר לבנות את ההתקנים עם אותן תכונות שהופיעו בהדמיות.