نانولولههای سیلیکونی کرهای گرمای هدررفته را به برق تبدیل میکنند
محققان کرهجنوبی موفق به توسعه ساختاری نوآورانه از نانولولههای سیلیکونی توخالی شدهاند که میتواند گرمای هدررفته در مراکز داده، باتری خودروهای برقی و صنایع را به انرژی الکتریکی تبدیل کند. این فناوری با استفاده از سیلیکون فراوان و ارزانقیمت، راهکاری جایگزین برای مواد کمیاب و گرانقیمت مورد استفاده در سامانههای ترموالکتریک ارائه میدهد.
به گزارش Interesting Engineering، پژوهشگران دانشگاه علوم و فناوری پوهانگ (POSTECH) در کرهجنوبی روشی جدید برای افزایش کارایی مواد ترموالکتریک ارائه کردهاند که میتواند به بازیابی انرژی حرارتی هدررفته و تبدیل آن به برق کمک کند.
با گسترش روزافزون فناوریهای دیجیتال و هوش مصنوعی میزان گرمای تولیدشده در مراکز داده بهطور چشمگیری افزایش یافته است. هر بار که کاربران از سامانههای هوش مصنوعی مانند ChatGPT استفاده میکنند سرورها مقدار اندکی گرما تولید میکنند که در مقیاس گسترده مراکز داده به حجم قابلتوجهی از انرژی هدررفته تبدیل میشود. علاوه بر این، باتری خودروهای برقی در زمان استفاده سنگین و کارخانههای بزرگ صنعتی نیز مقادیر زیادی گرما را به محیط آزاد میکنند.
در سالهای اخیر مهندسان تلاش کردهاند با استفاده از فناوری ترموالکتریک این گرمای اتلافی را به برق تبدیل کنند. با این حال بیشتر تجهیزات ترموالکتریک متکی به عناصری مانند بیسموت و تلوریوم هستند، موادی که علاوه بر قیمت بالا، منابع محدودی دارند و زنجیره تامین آنها با چالشهای متعددی روبهرو است.
در مقابل سیلیکون مادهای فراوان، ارزان و سازگار با فناوریهای موجود نیمههادی به شمار میرود، اما یک مشکل اساسی دارد. سیلیکون بهراحتی گرما را منتقل میکند و به همین دلیل عملکرد ضعیفی در سامانههای ترموالکتریک از خود نشان میدهد.
اکنون تیمی به سرپرستی چانگ کی بک استاد دانشگاه POSTECH و کی یونگ کیم دانشجوی دکتری این دانشگاه موفق شدهاند با طراحی نانولولههای سیلیکونی توخالی رفتار انتقال حرارت در مقیاس نانو را تغییر دهند.
برخلاف نانوسیمهای متداول سیلیکونی که ساختاری جامد و میلهای دارند پژوهشگران از ساختارهای لولهای توخالی استفاده کردند. نتایج نشان داد این نانولولههای توخالی توانستهاند رسانایی حرارتی را در مقایسه با نانوسیمهای جامد تا ۷۰ درصد کاهش دهند.
همچنین زمانی که پژوهشگران شرایط آزمایش را بهگونهای تنظیم کردند که هر دو ساختار دارای سطح تماس یکسان باشند نانولولههای توخالی همچنان عملکرد بهتری از خود نشان دادند و میزان انتقال حرارت در آنها حدود ۳۳ درصد کمتر بود.
پژوهشگران علت این پدیده را به رفتار فونونها نسبت میدهند. فونونها شبهذراتی هستند که ارتعاشات اتمی و انتقال گرما در مواد جامد را توصیف میکنند. در نانوسیمهای جامد فونونها میتوانند آزادانه حرکت کرده و گرما را منتقل کنند، اما در ساختارهای توخالی بخشی از این ارتعاشات در نواحی خاصی به دام میافتند.
این پدیده که موضعیسازی فونون (Phonon Localization) نام دارد باعث میشود انرژی حرارتی نتواند بهراحتی در ماده منتشر شود و در نتیجه انتقال گرما به شکل قابلتوجهی کاهش یابد.
پیش از این تصور میشد موضعیسازی فونونها تنها در شرایط بسیار سرد و نزدیک به دمای صفر مطلق یا در مواد پیچیده و سفارشی امکانپذیر است. با این حال پژوهشگران POSTECH نشان دادهاند که این پدیده میتواند در ساختارهای نسبتا ساده نانولولهای و در دماهای نزدیک به دمای محیط نیز رخ دهد.
به گفته محققان این دستاورد میتواند زمینه را برای توسعه نسل جدیدی از سامانههای بازیابی انرژی فراهم کند که قادر خواهند بود گرمای هدررفته را در مقیاس وسیع به برق تبدیل کنند.
از آنجا که این فناوری بر پایه سیلیکون توسعه یافته است امکان ادغام آن با خطوط تولید فعلی صنعت نیمههادی وجود دارد و میتواند بدون وابستگی به فلزات کمیاب، زنجیره تامین پایدارتر و کمهزینهتری را ایجاد کند.
پژوهشگران معتقدند سازگاری بالای این فناوری با زیرساختهای فعلی تولید تراشه مسیر تجاریسازی آن را تسریع کرده و میتواند نقش مهمی در شکلگیری بازار نسل آینده مدیریت حرارتی و بهرهوری انرژی ایفا کند.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nano Energy منتشر شده است.
انتهای پیام/
