ALTIN 499,21
DOLAR 8,8689
EURO 10,4740
BIST 1.385
Adana Adıyaman Afyon Ağrı Aksaray Amasya Ankara Antalya Ardahan Artvin Aydın Balıkesir Bartın Batman Bayburt Bilecik Bingöl Bitlis Bolu Burdur Bursa Çanakkale Çankırı Çorum Denizli Diyarbakır Düzce Edirne Elazığ Erzincan Erzurum Eskişehir Gaziantep Giresun Gümüşhane Hakkari Hatay Iğdır Isparta İstanbul İzmir K.Maraş Karabük Karaman Kars Kastamonu Kayseri Kırıkkale Kırklareli Kırşehir Kilis Kocaeli Konya Kütahya Malatya Manisa Mardin Mersin Muğla Muş Nevşehir Niğde Ordu Osmaniye Rize Sakarya Samsun Siirt Sinop Sivas Şanlıurfa Şırnak Tekirdağ Tokat Trabzon Tunceli Uşak Van Yalova Yozgat Zonguldak
İstanbul 23 °C
Parçalı Bulutlu

Termoelektrik Jeneratörler Hakkında Buzz, Umut Veren Yeni Magnezyum Esaslı Malzemelerle Isınıyor

02.08.2021
37
Termoelektrik Jeneratörler Hakkında Buzz, Umut Veren Yeni Magnezyum Esaslı Malzemelerle Isınıyor

Termoelektrik bileşik Mg3Sb2’nin kristal kafesinin bir temsili (magnezyum atomları turuncu, antimon mavi). Fonon dalgaları tarafından itilen ısı malzemeyi geçerken bir elektrik akımı üretilir. Kredi bilgileri: ORNL/Jill Hemman

inişi NASAPerseverance gezgini, yalnızca uzay araştırmaları için değil, aynı zamanda gemiye yıllarca süren görevinde güç veren teknoloji için de ileriye doğru bir başka adımdı. Mars— ısıyı elektriğe çeviren bir termoelektrik jeneratör.

Termoelektrik teknolojilerinde bir sonraki sıçramayı arayan Duke Üniversitesi ve Michigan Eyalet Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, iki magnezyum bazlı malzeme (Mg) hakkında yeni temel bilgiler edindiler.3Sb2 ve Mg3Birlikte2) geleneksel termoelektrik tasarımlardan önemli ölçüde daha iyi performans gösterme potansiyeline sahip ve aynı zamanda daha çevre dostu ve üretimi daha ucuz olacak. Ağır elementlerin kullanımına ilişkin geçerli bilimsel bilginin aksine, araştırmacılar, kalsiyum ve iterbiyum gibi daha ağır elementlerin atomlarını daha hafif magnezyum atomlarıyla değiştirmenin, magnezyum bazlı malzemelerin performansında üç kat artışa yol açtığını gösterdi.

Dergide yayınlanan araştırmalarında Bilim Gelişmeleri, ekip, Energy’s (DOE) Oak Ridge (ORNL) ve Argonne ulusal laboratuvarlarında nötron ve x-ışını saçılma deneylerinin yanı sıra Ulusal Enerji Araştırmaları Bilimsel Hesaplama Merkezi’nde (NERSC) süper bilgisayar simülasyonları kullandı. Atomik ölçekteki araştırmalar, malzemelerin oda sıcaklığındaki termal enerjiyi elektriğe dönüştürme yeteneğinin arkasındaki kaynağı ve mekanizmayı ortaya çıkardı. Bulgular, Perseverance gezici ve sayısız diğer cihazlar ve enerji üretim teknolojileri gibi termoelektrik uygulamaları geliştirmek için olası yeni yolları gösteriyor.

Termoelektrik malzemeler esasen malzemenin sıcak ve soğuk tarafları arasındaki sıcaklık farkından bir voltaj oluşturur. Termal enerjiyi elektriğe veya tam tersine çevirerek, termoelektrik cihazlar, soğutma veya ısı egzozundan elektrik enerjisi üretimi için kullanılabilir.

Olivier Delaire, “Geleneksel termoelektrik malzemeler, kurşun, bizmut ve tellür gibi çok çevre dostu olmayan ve aynı zamanda çok bol olmayan elementler gibi ağır elementlere dayanır, bu yüzden pahalı olma eğilimindedirler” dedi. Dük. “Magnezyum ise daha hafif ve daha bol, bu da onu örneğin ulaşım ve uzay uçuşu uygulamaları için ideal bir malzeme yapıyor.”

Tipik olarak, Delaire, daha hafif malzemelerin termoelektrik tasarımlar için pek uygun olmadığını açıkladı, çünkü termal iletkenlikleri çok yüksek, yani voltajı üretmek için gereken sıcaklık farkını korumak için çok fazla ısı aktarıyorlar. Daha ağır malzemeler, daha az ısı ilettikleri ve termal enerjiyi daha verimli bir şekilde korumalarına ve dönüştürmelerine izin verdiği için genellikle daha çok tercih edilir.

“Ancak bu magnezyum malzemeleri, düşük kütle yoğunluğuna sahip olmalarına rağmen dikkate değer ölçüde düşük termoelektrik iletkenliğe sahiptir. Bu özellikler, toksik elementlere sahip ağır malzemelere dayanmayan yeni tip termoelektriklerin tasarlanmasına potansiyel olarak kapı açabilir, ”diye açıkladı Delaire.

Ekibin incelediği magnezyum malzemeleri, Zintls adı verilen daha büyük bir metal bileşikleri sınıfına aittir. Zintl bileşiklerindeki atomik yapı veya atomların düzeni, malzemedeki farklı elementleri denemek ve ikame etmek nispeten kolay olacak şekildedir – örneğin, optimum performans ve işlevsellik elde etmek için ağır bir elementi hafif bir elementle değiştirmek.

“Kimyasal çalışmalarda, yeni malzemeler için olasılıkları araştırmak, genellikle ne olduğunu görmek için bir elementi diğerinin yerine koymayı içerir. Genellikle bunları periyodik tablodaki kimyasal olarak benzer elementlerle değiştiririz ve Zintls kullanmanın en büyük avantajlarından biri, birçok farklı element ve farklı kombinasyonlarla deney yapabilmemizdir” dedi makalenin ilk yazarı, yüksek lisans öğrencisi araştırmacı Jingxuan Ding Duke’deki Delaire’in grubunda. “Hiç kimse magnezyumun daha iyi bir bileşik olmasını beklemiyordu, ancak Michigan State’deki işbirlikçilerimiz onu malzemelerin bileşenlerine koyduğunda, durumun gerçekten böyle olduğunu görünce şaşırdık, bu yüzden bir sonraki adım nedenini bulmaktı.”

Bir malzemedeki atomlar statik veya hareketsiz değildir; daha yüksek sıcaklıklarla artan genliklerle titreşirler. Kolektif titreşimler, bir havuzun yüzeyinde dalga kümelerine benzeyen fonon adı verilen bir dalgalanma etkisi yaratır. Bu dalgalar, bir malzemede ısıyı taşıyan şeydir; bu nedenle, bir malzemenin termal iletkenliğini belirlemek için fonon titreşimlerini ölçmek önemlidir.

Nötronlar, fononlar gibi kuantum fenomenlerini incelemek için benzersiz bir şekilde uygundur çünkü nötronların yükü yoktur ve çekirdeklerle etkileşime girebilir. Delaire, nötron etkileşimlerini, titreşimleri uyarmak ve bir malzemenin içindeki atomlar hakkında gizli bilgileri ortaya çıkarmak için atomlara enerji aktarabilmeleri bakımından bir gitar telini koparmaya benzetmiştir.

Ekip, fonon titreşimlerini ölçmek için ORNL’nin Spallasyon Nötron Kaynağında (SNS) Geniş Açısal Aralıklı Kıyıcı Spektrometresini veya ARCS’yi kullandı. Elde ettikleri veriler, malzemelerin uygun düşük ısıl iletkenliklerini, fonon dalgalarının malzeme boyunca birbirleriyle karışmalarına neden olarak hareketini bozan özel bir magnezyum bağına kadar izlemelerini sağladı.

Ding, “Nötronlar, bu malzemelerde incelediğimiz gibi atomik titreşimleri ölçmenin en iyi yollarından biri,” dedi. “ARCS, malzemede bulunan fonon dalgalarını ölçmemize yardımcı olan çok çeşitli frekansları ve dalga boylarını algılayabilir; bu, bu düşük termal iletkenlik malzemelerinin nasıl çalıştığını daha iyi anlamak için tam olarak ihtiyacımız olan şey.”

Nötron saçılımı ölçümleri, araştırma ekibine, bilgisayar simülasyonlarını ve Ding liderliğindeki müteakip x-ışını deneylerini yönlendirmeye ve iyileştirmeye yardımcı olan magnezyum Zintl malzemelerinin iç dinamikleri hakkında geniş bir araştırma sağladı. Bunlar, malzemelerin termal iletkenliğinin kökenlerinin tam olarak anlaşılmasını sağlamak için kullanıldı.

Argonne’nin Gelişmiş Foton Kaynağındaki (APS) tamamlayıcı x-ışını deneyleri, nötron ölçümleri için çok küçük kristal numunelerinde belirli fonon modlarını yakınlaştırmak için kullanıldı. Hem nötron hem de x-ışını ölçümleri, NERSC’de gerçekleştirilen süper bilgisayar simülasyonları ile uyumluydu.

Ding ve Delaire’e ek olarak, makalenin ortak yazarları arasında Tyson Lanigan-Atkins, Mario Calderón-Cueva, Arnab Banerjee, Douglas L. Abernathy, Ayman Said ve Alexandra Zevalkink yer alıyor.

Delaire, “Termoelektrikler, geleneksel olarak ısıdan elektrik üretmek için kullanılan hareketli parçalara sahip hacimli motorlar yerine daha basit, daha hafif ve güvenilir tasarımlar gerektiren Mars Perseverance gezici gibi uygulamalarda çok önemlidir” dedi. “Bu magnezyum bazlı malzemeler, önemli ölçüde daha fazla güç verimliliği ve daha gelişmiş termoelektrik uygulamalar için çok fazla potansiyel sunabilecek bu alanda büyük bir ilerlemedir.”

Referans: “Mg cinsinden yumuşak anharmonik fononlar ve ultra düşük termal iletkenlik3(Şb, Bi)2 termoelektrik”, Jingxuan Ding, Tyson Lanigan-Atkins, Mario Calderón-Cueva, Arnab Banerjee, Douglas L. Abernathy, Ayman Said, Alexandra Zevalkink ve Olivier Delaire, 21 Mayıs 2021, Bilim Gelişmeleri.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg1449

Araştırma, DOE’nin Bilim Ofisi tarafından desteklendi. SNS, NERSC ve APS, DOE Office of Science kullanıcı tesisleridir. UT-Battelle LLC, DOE Bilim Ofisi için ORNL’yi yönetmektedir. Bilim Ofisi, Amerika Birleşik Devletleri’ndeki fizik bilimlerindeki temel araştırmaların en büyük tek destekçisidir ve zamanımızın en acil sorunlarından bazılarını ele almak için çalışmaktadır.

.

Gelişmelerden zamanında haberdar olmak için Google News’te Bilim Portal’a ABONE OLUN

ZİYARETÇİ YORUMLARI - 0 YORUM

Henüz yorum yapılmamış.