Smartfon ładowany ciepłem kawy, czyli termoelektryczny przełom

Ciepło odpadowe towarzyszy nam na każdym kroku, bo w fabrykach, samochodowych silnikach, klimatyzatorach, a nawet przy porannej kawie. Chociaż stanowi ogromne, niewykorzystane źródło energii, to jego praktyczne przekształcanie w elektryczność od lat przysparzało trudności. Urządzenia termoelektryczne istnieją wprawdzie od dawna, ale ich powszechne zastosowanie blokowały dotąd wysokie koszty i niska wydajność.

Przełom w organicznych urządzeniach termoelektrycznych

Badacze z King Abdullah University of Science and Technology opracowali nową metodę produkcji organicznych urządzeń termoelektrycznych, osiągając 20-krotny wzrost wydajności konwersji energii ba oizuinue sanegi naterua ky. Kluczem okazał się ich system MFDA (Molecular Force-Driven Anisotropy), wykorzystujący algorytmy predykcyjne do identyfikacji optymalnych rozpuszczalników w procesie przetwarzania polimerów. W przeciwieństwie do konwencjonalnych urządzeń opartych na kosztownych kryształach nieorganicznych rozwiązania organiczne wykorzystują polimery przetwarzane z roztworu, co umożliwia ich druk na dużą skalę.

Czytaj też: Kontrowersyjna megatama. Chiny budują rekordową hydroelektrownię, która zmieni nasz świat

Główną przeszkodą w termoelektryce organicznej zawsze była kontrola nad krystalizacją łańcuchów polimerowych podczas produkcji. Maksymalny przepływ prądu następuje wtedy, gdy domeny krystaliczne układają się w pozycji “na krawędzi”, jednak polimery zwykle krystalizują chaotycznie. Dotychczasowe techniki wymuszenia właściwego ułożenia obejmowały energochłonne etapy jak wyżarzanie w wysokich temperaturach czy mechaniczne pocieranie, co znacząco podnosiło koszty i komplikowało cały proces.

Oprogramowanie MFDA analizuje, jak efektywnie różne rozpuszczalniki oddziałują zarówno z polimerem, jak i domieszkami, uwzględniając właściwości fizyczne takie jak temperatura wrzenia. Po przeanalizowaniu ponad 10000 dostępnych komercyjnie rozpuszczalników algorytm wskazał chlorobenzen jako najlepszy wybór dla politiofenów, a więc powszechnie stosowanych polimerów referencyjnych. To właśnie urządzenia wytworzone z użyciem chlorobenzenu okazały się aż dwadzieścia razy wydajniejsze od tych produkowanych z orto-dichlorobenzenu, który przez lata był standardem branżowym. To wynika z badań opublikowanych w Nature Materials

Czytaj też: Fotowoltaiczny przełom. Nie uwierzysz, co zużyte panele słoneczne mogą zrobić dla klimatu

Co szczególnie istotne, ten imponujący wzrost wydajności osiągnięto wyłącznie dzięki zmianie rozpuszczalnika, bez dodatkowych, skomplikowanych modyfikacji procesu technologicznego. System MFDA to nie tylko przełom w termoelektryce, bo stanowi on również uniwersalne narzędzie do optymalizacji transportu ładunków w miękkich materiałach elektronicznych. Naukowcy sugerują, że podobna kontrola orientacji sterowana rozpuszczalnikiem może usprawnić inne polimerowe urządzenia, takie jak organiczne ogniwa słoneczne, elastyczne tranzystory, samozasilające się czujniki czy urządzenia noszone czerpiące energię z ciepła ciała.

Czytaj też: Opakowali akumulator samochodowy w drewno i pokonali Teslę. Zaskakujące wyniki

Technologia toruje drogę wizji urządzeń o większej autonomii energetycznej. Przynajmniej jeśli idzie o te z niższym zapotrzebowaniem energetycznym. Mówimy tutaj o czujnikach zasilanych ciepłem otoczenia, systemach samochodowych konwertujących ciepło silnika na prąd czy sprzęcie ładowanym bez podłączania do sieci. Chociaż brzmi to obiecująco, warto pamiętać, że to wciąż etap laboratoryjny, a sama droga do komercjalizacji bywa dłuższa, niż się początkowo wydaje. Dziś pewne jest więc tyle, że zastępując żmudne eksperymenty chemiczne ukierunkowaną inżynierią rozpuszczalników, zespół z KAUST wykonał znaczący krok ku przekształceniu niewidzialnej energii w użyteczną moc. Potencjalne korzyści środowiskowe obejmują redukcję marnotrawstwa energii i mniejszą zależność od konwencjonalnych metod jej wytwarzania. Ten postęp może pomóc rozwijającej się dziedzinie termoelektryki organicznej w dotrzymaniu obietnicy stworzenia opłacalnych modułów zdolnych odzyskiwać ogromne ilości niskotemperaturowego ciepła uciekającego codziennie z fabryk, pojazdów i domowych urządzeń.