LU pētnieki rada īpaši plānus materiālus efektīvai siltuma pārvēršanai elektrībā

“Vērtējot mūsdienīgu enerģijas procesu efektivitāti, mēs lietderīgi izmantojam tikai 34 % no primāras enerģijas, bet 66 % paliek gaisā. Tas mums neder. Šo enerģiju varētu izmantot un tam ir paredzētas un jau sen izstrādātas termoelektriskas ierīces,” LU Jauno tehnoloģiju un inovāciju dienas “Zināšanu agorā” savu stāstījumu iesāk LU Ķīmiskās fizikas institūta vadošā pētniece Jana Andžāne.  

Kā piemēru pētniece min degvielu – braucot ar mašīnu, tiek patērēti tikai daži procenti no enerģijas, kura rodas, degvielai sadegot dzinējā. Savukārt, ja pie mašīnas motora vai izpūtēja pieliktu termoelektrisku iekārtu, kura siltumu pārvērstu elektrībā, mašīna visu laiku darbotos uz tās pašas enerģijas bāzes un iegūtu papildus elektrisko enerģiju. Kāpēc kaut kas tāds joprojām nav izgudrots?

Atbilde ir ļoti vienkārša: termoelektriskie materiāli ir ļoti dārgi un tiem ir zema efektivitāte.

Tam, protams, ir arī zinātnisks skaidrojums. Termoelektrisko materiālu labumu raksturo ar labuma koeficientu ZT, kuru aprēķina pēc vienkāršas formulas, kurā ietilpst materiāla elektriskās un termiskās vadāmības un termoelektriskā jūtīgums (Sībeka koeficienta) kombinācija. Turklāt elektriskā vadāmība atrodas šīs formulas skaitītājā, bet termiskā – saucējā. Tā kā fizikā elektriskā vadāmība un termiskā vadāmība ir saistītas, sanāk, ka palielinot elektrisko vadāmību, tiek palielināta termiskā vadāmība un otrādi, tādējādi termoelektrisko materiālu labums paliek turpat, skaidro J. Andžāne.

Taču kā sasniegt augstu labuma koeficientu,  ja termiskā un elektriskā vadāmība ir savstarpēji saistītas?

“Daļa no termoelektriskajiem materiāliem ir topoloģiskie izolatori, kas vada strāvu pa virsmu, bet nevada tilpumā. Tas nozīmē, ja izmanto topoloģiskās īpašības, tad varētu atdalīt elektrisko vadāmību un termisko vadāmību materiāliem,” uzsver pētniece.

LU Ķīmiskās fizikas institūta pētnieki pārbaudīja, vai, izmantojot topoloģiskās īpašības, var palielināt termoelektrisko materiālu efektivitāti. Karsējot un iztvaicējot izejmateriālu kristālus, pētniekiem izdevās uzsintezēt plānas kārtiņas (materiāla biezums ir zem 10 nanometriem), kas ražo elektrisko enerģiju pie ļoti mazām temperatūru svārstībām. No šādām kārtiņām tika izveidoti nanolamināti, secīgi izgulsnējot kārtiņas no dažādiem materiāliem viena uz otras, no kuriem savukārt tiks radīti termoelektrisko ierīču prototipi, kuri tiks testēti laboratorijas vidē pie temperatūras starpībām no 1 līdz 60^o C.

Nākotnē uz izstrādātās tehnoloģijas bāzes varēs veidot termoelektriskās ierīces, kuras var tikt izmantotas jebkādu saimniecisko procesu rādītu siltuma zudumu pārveidei lietderīgā enerģijā. Piemēram, var izmantot siltumu no karstām ūdens caurulēm, no datora,  vai temperatūru starpību iekštelpās un ārā, kā arī izmantot cilvēka ķermeņa temperatūru, lai darbinātu mobilās ierīces ar termoelektriskā ģeneratora palīdzību.

Ja  izdosies palielināt termoelektrisko efektivitāti, tad termoelektriskās ierīces varēs izmantot jebkur, kur ir kaut neliela temperatūru starpība, pārliecināti pētnieki.

25. septembra pēcpusdienā LU telpās jau otro gadu pēc kārtas norisinājās atklājumu un inovāciju pasākums “LU Jauno tehnoloģiju un inovāciju diena”, kur vienuviet satikās gan mundrākie pētnieku prāti, gan inovatīvāko ideju autori. Ievērojami liels LU pētnieku skaits piedalījās “Zināšanu agorā”, kas bija viena no nozīmīgākajām pasākuma daļām.

“Zināšanu agora” bija iespēja pētniekiem 6 minūšu laikā iepazīstināt un ieinteresēt plašāku sabiedrības loku ar nesen veiktu vai jau sāktu inovatīvu pētījumu tehnoloģiju, dažādu procesu un dzīves kvalitātes uzlabošanas jomā.

Šogad “Zināšanu agorā” izskanēja teju 60 dažādi pētījumi, kas aktualizēja jautājumus par mikroorganismu kolekcijas attīstību, Saules sistēmu, nanomateriāliem, bioekonomiku, magnētiskiem paātrinātājiem, materiālu atmiņu, gēnu datiem, kā arī par risinājumiem demogrāfijas, dažāda veida izglītības, ekosistēmas un medicīnas jomās.