طفرة في مجال الطاقة النظيفة.. تحويل الحرارة المهدرة إلى كهرباء

تلعب المواد الكهروحرارية، التي تحول الحرارة إلى كهرباء، دورا حاسما في التقاط الحرارة المهدرة وتحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام.

هذه المواد مفيدة بشكل خاص في الصناعات والمركبات حيث تنتج المحركات حرارة مهدرة كبيرة، مما يعزز كفاءة الطاقة من خلال توليد كهرباء إضافية، كما أنها واعدة لتطبيقات الطاقة المحمولة، مثل أجهزة الاستشعار عن بعد والأقمار الصناعية، حيث قد لا تكون مصادر الطاقة التقليدية ممكنة.

تولد الأجهزة الكهروحرارية التقليدية، المعروفة باسم الأجهزة الكهروحرارية المتوازية، الجهد على طول نفس اتجاه تدفق الحرارة. تعتمد هذه الأجهزة على نوعين من المواد المتوازية، النوع p والنوع n، والتي تنتج جهدا في اتجاهين متعاكسين. عند توصيلها على التوالي، فإنها تخلق جهدا أقوى، لكن هذا الشكل يزيد من عدد نقاط الاتصال، مما يؤدي إلى مقاومة كهربائية أعلى وفقدان للطاقة.

من ناحية أخرى، تولد الأجهزة الكهروحرارية المستعرضة الكهرباء بشكل عمودي على تدفق الحرارة، مما يوفر ميزة واضحة. مع نقاط اتصال أقل، تتمكن هذه الأجهزة من تحويل الطاقة بكفاءة أكبر. تشمل فئة واعدة من المواد لهذه الأجهزة تلك التي لها "قطبية توصيل تعتمد على المحور" (ADCP)، والمعروفة أيضا باسم موصلات goniopolar. تنقل هذه المواد الشحنات الموجبة (نوع  p) في اتجاه واحد والشحنات السالبة (نوع  n) في اتجاه آخر. ومع ذلك، وعلى الرغم من إمكاناتها، فإن التأثير الحراري الكهربائي المستعرض (TTE) لم يتم استكشافه بشكل كافٍ - حتى الآن.

اظهار أخبار متعلقة

من هذا المنظور، حقق فريق بحثي من اليابان، بقيادة الأستاذ المشارك ريوجي أوكازاكي من قسم الفيزياء والفلك في جامعة طوكيو للعلوم (TUS)، بما في ذلك شويا أوسومي من TUS والدكتور يوشيكي جيه ساتو من جامعة سايتاما، تأثيرا حراريا كهربائيا مستعرضا في سيليسيد التنغستن الرباعي شبه المعدني (WSi2). على الرغم من أن الدراسات السابقة أظهرت أن WSi2 يوفر خاصية  ADCP، إلا أن أصله وTTE المتوقع لم يتم اكتشافهما في التجارب.

يوضح البروفيسور أوكازاكي: "التحويل الحراري الكهربائي العرضي هو ظاهرة تكتسب الاهتمام كتكنولوجيا أساسية جديدة لأجهزة الاستشعار القادرة على قياس درجة الحرارة وتدفق الحرارة. ومع ذلك، لا يوجد سوى عدد محدود من هذه المواد، ولم يتم وضع إرشادات تصميم. هذا هو أول تطبيق مباشر للتحويل الحراري الكهربائي العرضي فيWSi2".

نُشرت دراستهم في 13 تشرين الثاني/ نوفمبر 2024، في مجلة PRX Energy.
قام الباحثون بتحليل خصائص WSi2 من خلال مجموعة من التجارب الفيزيائية والمحاكاة الحاسوبية. قاموا بقياس الطاقة الحرارية والمقاومة الكهربائية والتوصيل الحراري لبلورة WSi2 المفردة على طول محوريها البلوريين في درجات حرارة منخفضة. وجدوا أن خاصية ADCP لـ WSi2 ينشأ من بنيته الإلكترونية الفريدة، والتي تتميز بأسطح فيرمي مختلطة الأبعاد. يكشف هذا الهيكل عن وجود الإلكترونات والثقوب (حاملات الشحنة الموجبة) في أبعاد مختلفة.

اظهار أخبار متعلقة

سطح فيرمي هو سطح هندسي نظري يفصل بين الحالات الإلكترونية المشغولة وغير المشغولة لحاملات الشحنة داخل مادة صلبة. في WSi2، تشكل الإلكترونات أسطح فيرمي شبه أحادية البعد وتشكل الثقوب أسطح فيرمي شبه ثنائية الأبعاد. تخلق أسطح فيرمي الفريدة هذه موصلية محددة الاتجاه، مما يتيح تأثير TTE.

كما لاحظ الباحثون اختلافات في كيفية توصيل حاملات الشحنة هذه للكهرباء من عينة إلى أخرى، بما يتفق مع الدراسات السابقة. باستخدام المحاكاة القائمة على المبادئ الأولى، أظهر الباحثون أن هذه الاختلافات كانت بسبب الاختلافات في كيفية تشتت حاملات الشحنة بسبب العيوب في بنية الشبكة البلورية لـWSi2. هذه المعرفة هي المفتاح لضبط المادة وتطوير أجهزة كهروحرارية موثوقة. علاوة على ذلك، أظهروا توليد TTE المباشر في WSi2 من خلال تطبيق فرق درجة الحرارة على طول زاوية محددة بالنسبة لكلا المحورين البلوريين، مما أدى إلى جهد عمودي على فرق درجة الحرارة.

يقول البروفيسور أوكازاكي: "تشير نتائجنا إلى أن WSi2 مرشح واعد للأجهزة القائمة على  TTE. ونأمل أن يؤدي هذا البحث إلى تطوير أجهزة استشعار جديدة واكتشاف مواد كهروحرارية عرضية جديدة".

من خلال توضيح آلية توليد TTE في WSi2، تتخذ هذه الدراسة خطوة أخرى نحو المواد المتقدمة التي يمكنها تحويل الحرارة إلى كهرباء بكفاءة أكبر، مما يؤدي إلى مستقبل أكثر اخضرارا.