Penn State 과학자들이 이끄는 팀에 따르면 폐열을 청정 에너지로 변환할 수 있는 열전 발전기는 곧 태양열과 같은 다른 재생 가능 에너지원만큼 효율적일 수 있다고 합니다.

연구원들은 고엔트로피 재료를 사용하여 이전에 가능했던 것보다 더 효율적인 열전 재료를 만들었습니다. 이는 장거리 우주 탐사를 가능하게 하는 데에도 도움이 될 수 있다고 말했습니다.그들출판됨저널에 실린 결과줄.

방사성 동위원소를 포함한 열전 장치열전 발전기NASA의 우주 탐사 차량에 필요한 에너지를 생산하는 이 장치는 온도 차이를 전기로 변환할 수 있습니다.근처에 배치하면열원발전소의 증기 파이프처럼 전자와 같은 전하 캐리어가 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 이동하여 전류를 생성합니다.

현재 상용화된 장치는 5~6%의 효율을 자랑합니다.연구원들은 새로운 제조 접근 방식을 사용하여 15% 변환 효율에 도달한 프로토타입을 만들었습니다.효율이 향상된다는 것은 기존 장치가 200% 줄어들어도 여전히 동일한 에너지를 생산할 수 있거나, 동일한 크기의 장치가 200% 에너지를 생산할 수 있음을 의미한다고 연구진은 말했습니다.

이번 연구의 공동저자이자 펜실베이니아 주립대 재료공학과 연구 교수인 Bed Poudel은 “이러한 발견은 열전 장치를 실제로 효율적으로 개선할 수 있는 방법에 대한 새로운 방향을 보여줍니다.”라고 말했습니다."우리의 연구는 매우 흥미로운 열전 재료를 만드는 새로운 길을 제공하며 미래의 재료 개발을 통해 훨씬 더 큰 발전을 가져올 수 있습니다."

Penn State 팀은 이전에반-호이슬러 합금 사용중-고온에서 열전 발전을 효과적으로 생성하여 장치 성능을 향상시키는 특별한 종류의 재료입니다.이러한 재료는 일반적으로 성능을 높이기 위해 도펀트나 소량의 다른 재료가 첨가된 세 가지 금속 원소로 만들어진 합금입니다.

새로운 연구에서 과학자들은 엔트로피가 높은 반호이슬러(half-Heusler) 재료로 전환했습니다.단결정 구조에서 최소 5개의 주요 원소로 만들어진 이 합금은 반호이슬러(half-Heusler) 재료에서 발견되는 것과 동일한 특성을 자랑하지만 향상된 특성을 자랑합니다.

Penn State의 연구 부교수이자 이번 연구의 공동 저자인 Wenjie Li는 "이 연구에서 우리가 한 일은 고엔트로피 엔지니어링을 반-호이슬러 시스템에 성공적으로 통합한 것입니다."라고 말했습니다.

"기존 화합물을 사용하면 다양한 화학 조성을 만들 수 있는 100가지 옵션이 있을 수 있습니다. 그러나 높은 엔트로피 개념을 사용하면 재료 특성을 변경하기 위해 수천 개의 화학 조성을 만들 수 있습니다."

과학자들은 더 많은 원자를 가진 고엔트로피 물질을 사용하면 결정 구조가 더 무질서해지고전하 캐리어재료를 통과하는 데 시간이 더 오래 걸리므로 열전도율이 낮아집니다.추가 원자는 재료가 더 높은 역률을 유지하는 방식으로 선택됩니다. 역률은 전기 시스템이 얼마나 효율적으로 전력을 유용한 작업으로 변환할 수 있는지를 측정합니다.

Penn State의 박사후 연구원이자 수석 연구원인 Subrata Ghosh는 "이 개념에서 우리는 높은 역률을 유지하는 동시에 낮은 열전도도를 얻어 재료의 효율성을 측정하는 성능 지수를 최대화할 수 있습니다."라고 말했습니다.연구의 저자.

"고엔트로피 엔지니어링은 모든 종류의 열전 재료의 성능 지수를 더욱 향상시키기 위해 기존 접근 방식과 통합될 수 있습니다."

새로운 열전 소재는 켈빈 온도 1,060도(화씨 약 1,448도) 변화에서 1.50이라는 기록적인 높은 성능 지수를 달성했습니다.이는 현재 최첨단 소재보다 50% 증가한 수치라고 과학자들은 말했다.

"고엔트로피 재료는 다음과 같은 고온 내화물 응용 분야에 자주 사용됩니다.제트 엔진또는 극초음속 차량이 있지만 우수한 반-호이슬러 열전 시스템을 개발하는 데 사용된 것은 이번이 처음입니다."라고 Li는 말했습니다.

이 작업은 보다 효율적인 장치를 만드는 데 영향을 미칩니다.폐열산업 환경에서의 회복.이 폐열을 회수하여 전기를 공급하는 데 사용하면 화석 연료 소비를 줄일 수 있습니다.그리고 움직이는 부품이 없고 화학 반응이나 방출이 발생하지 않기 때문에열전 장치과학자들은 유망한 청정 에너지원을 제공한다고 말했습니다.

열전 장치는 두 개의 다리가 있는 테이블과 비슷합니다. 한쪽 다리는 p형 반도체 재료로 만들어졌고 한쪽 다리는 n형 반도체 재료로 만들어졌습니다.현재 연구는 다음에만 적용됩니다.p형과학자들은 이것을 n형에 적용하기 위한 추가 연구를 통해 효율성이 추가로 증가할 수 있다고 말했습니다."우리가 이것을 더 넓은 종류의 열전 재료에 구현하고 계속해서 좋은 성능 지수를 얻을 수 있다면 변환 효율을 실제로 20% 이상으로 끌어올릴 수 있습니다"라고 Poudel은 말했습니다.

"그것은 태양 에너지나 고체 발전을 위한 다른 기술과 매우 경쟁적일 것입니다. 이것이 미래의 재료 개발로 이어질 수 있는 것을 보는 것이 흥미로운 부분입니다."

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