ペンシルベニア州立大学の科学者が率いるチームによると、廃熱をクリーンエネルギーに変換できる熱電発電機は、近いうちに太陽光などの他の再生可能エネルギー源と同じくらい効率的になる可能性があるという。

研究者らは、高エントロピー材料を使用して、これまで可能であったものよりも効率的な熱電材料を作成し、この進歩は長距離宇宙探査の可能性にもつながる可能性があると述べた。彼らは出版されたジャーナルに彼らの結果が載ったジュール。

熱電デバイス – 放射性同位体を含む熱電発電機NASA の宇宙探査機用のエネルギーを生成するものは、温度差を電気に変換できます。近くに置いた場合熱源「発電所の蒸気管のように」電子のような電荷キャリアが高温側から低温側に移動し、電流を生成します。

現在市販されているデバイスは 5% ～ 6% の効率を誇っています。研究者らは、新しい製造アプローチを使用して、15% の変換効率に達するプロトタイプを作成しました。効率の向上は、既存のデバイスが200％縮小しても同じエネルギーを生成できる、あるいは同じサイズのデバイスが200％のエネルギーを生成できることを意味すると研究者らは述べた。

「これらの発見は、熱電デバイスを本当に効率的に改良する方法について新たな方向性を示しています」とペンシルバニア州立大学材料科学工学部の研究教授であり、この研究の共著者であるベッド・プーデル氏は述べた。「私たちの研究は、非常に刺激的な熱電材料の作成に向けた新たな道を提供し、将来の材料開発でさらなる進歩につながる可能性があります。」

以前はペンシルベニア州立大学のチームハーフホイスラー合金を使用「中高温での熱電発電に優れた特別なクラスの材料」で、デバイスの性能を向上させます。これらの材料は通常、3 つの金属元素で作られた合金であり、場合によっては、性能を向上させるためにドーパントや少量の他の材料が添加されています。

新しい研究では、科学者らは高エントロピーのハーフホイスラー材料に注目した。これらの合金は、単結晶構造内の少なくとも 5 つの主要元素で構成されており、ハーフホイスラー材料に見られるものと同じ特性をさらに強化したものです。

「私たちがこの研究で行ったことは、高エントロピー工学をハーフホイスラー系にうまく統合することでした」とペンシルベニア州立大学准研究教授であり、この研究の共同執筆者でもあるウェンジエ・リー氏は述べた。

「従来の化合物では、さまざまな化学組成を作成するためのオプションが 100 通りあるかもしれません。しかし、高エントロピーの概念を使用すると、材料特性を変えるためにおそらく数千の化学組成を作成できるようになります。」

科学者らは、より多くの原子を含む高エントロピー材料を使用すると、結晶構造がより無秩序になり、電荷キャリア材料中を移動するのに時間がかかり、熱伝導率が低下します。追加の原子は、材料がより高い力率（電気システムが電力を有用な仕事に変換できる効率の尺度）を維持するように選択されます。

「このコンセプトでは、高い力率を維持しながら低い熱伝導率を実現し、材料の有効性の尺度である性能指数を最大化することができます。」とペンシルベニア州立大学の博士研究員であり、リーダーのスブラタ・ゴーシュ氏は述べています。研究の著者。

「高エントロピー工学を従来のアプローチに組み込んで、あらゆるクラスの熱電材料の性能指数をさらに向上させることができます。」

新しい熱電材料は、1,060 ケルビン (華氏約 1,448 度) の温度変化で 1.50 という記録的な高い性能指数を達成しました。これは現在の最先端の素材に比べて50%の増加に相当すると科学者らは述べた。

「高エントロピー材料は、次のような高温耐火物用途でよく使用されます。ジェットエンジンしかし、優れたハーフホイスラー熱電システムの開発にそれらが使用されたのはこれが初めてです」とリー氏は語った。

この研究は、より効率的なデバイスの開発に影響を及ぼします。廃熱産業現場での回復。この廃熱を回収し、電力として利用することで化石燃料の消費量を削減できます。また、可動部品がなく、化学反応や排出物も発生しないため、熱電デバイス有望なクリーンエネルギー源となると科学者らは述べた。

熱電デバイスは 2 本の脚を備えたテーブルに似ています。1 つの脚は p 型半導体材料で、もう 1 つは n 型半導体材料で作られています。現在の研究は以下にのみ適用されます。p型科学者らは、これをn型に適用するさらなる研究により、効率がさらに向上する可能性があると述べた。「これをより広範な種類の熱電材料に実装し、引き続き良好な性能指数を得ることができれば、変換効率を実際に 20% 以上に押し上げることができます」と Poudel 氏は述べています。

「それは太陽エネルギーや他の固体発電技術と非常に競争力があるでしょう。これが将来の材料開発にどのような影響をもたらすかが楽しみなところです。」

詳細情報: