Günlük hayatta kullandığımız enerjinin yaklaşık %70’i motorlar, fabrikalar ve elektrikli cihazlar tarafından üretilen ısı şeklinde boşa harcanmaktadır. Bununla birlikte, École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) Mühendislik Okulu’ndan araştırmacılar, sürdürülebilir enerji üretimini artırabilecek önemli bir teorik adım attılar.
Malzemelerin Teorisi ve Simülasyonu Laboratuvarı’ndan (THEOS) yapılan hesaplamalı çalışma, termoelektrik dönüşümün verimliliğini artırmak için kullanılan ana teknolojilerden birinin arkasındaki temel teorileri çözerek daha iyi malzeme seçimi ve daha hızlı, daha uygun maliyetli keşif süreçlerinin yolunu açtı. Physical Review Research dergisinde yayınlanan bu atılım, daha yeşil bir ekonomiye ve daha sürdürülebilir bir geleceğe katkıda bulunma potansiyeline sahiptir.
Termoelektrik cihazlar, atık ısıyı sürdürülebilir elektriğe dönüştürmek için umut verici bir potansiyel sundukları için araştırmacılar tarafından önemli bir konudur. Bir tarafın diğerinden daha sıcak olduğu bir termoelektrik malzemede sıcaklık farkı malzeme içinde yük akışına neden olarak elektrik enerjisine dönüştürülebilen bir elektrik akımı üretir. Bu teknoloji, ulaşımdan enerji santrallerine ve üretime kadar çeşitli enerji yoğun endüstrilerin sürdürülebilirliğini artırmaya yönelik olarak giderek daha fazla araştırılmaktadır.
Zayıf ısıl iletkenliğe sahip malzemeler için ısı iletim teorileri yeterince çalışılmadığından termoelektrik dönüşüm verimliliğini üst düzeye çıkarma zorlaşmaktadır. Bir malzemenin termoelektrik bir cihazda faydalı olması için, düşük bir ısı transferine veya ısı iletkenliğine ve yüksek bir elektrik iletkenliğine sahip olması gerekir. İkisi arasındaki fark ne kadar büyük olursa, malzemeye o kadar uygun olur. Bazı materyallerin iyi adaylar olduğu bilinmektedir, ancak malzeme bilimcileri, altta yatan fiziksel prensiplerin anlaşılması zor olduğu için pahalı testlere güvenmek zorundadır.
Termoelektrik malzemelerin davranışını ve ısı iletimini düzenleyen temel fiziksel ilkeleri çözmek için güçlü süper bilgisayarlarda gelişmiş simülasyonlar ve modelleme teknikleri kullanan hesaplamalı fiziğin devreye girmesi kaçınılmazdır.
THEOS araştırmacısı Enrico Di Lucente, Cambridge Üniversitesi’nden Michele Simoncelli ve THEOS başkanı Profesör Nicola Marzari ile işbirliği içinde, “Termoelektrik malzemelerin teorik sırlarının kilidini açmak bizi daha yeşil ve sürdürülebilir bir geleceğe bir adım daha yaklaştırıyor.” dediler1.
Gizemi çözebilmek için EPFL araştırmacıları, benzersiz bir kafes benzeri atomik yapıya sahip olan ve termoelektrik dönüşüm için umut verici bir malzeme olduğu bilinen kristal sınıfından skutterudit (CoAs3) lere odaklandı. Atomik kafeslerine “çıngıraklar” (rattlers) olarak adlandırılan ek atomlar eklediklerinde malzemenin termoelektrik verimliliklerinin artığını gördüler.
Bilimsel çalışmanın içeriğinde bulunan yakınsama testleri ve karşılaştırması sayesinde kafes ısıl iletkenliğinin farklı hesaplamaları, bu parametrelerin yapılandırılmasını mümkün kıldı ve kafes ısısının hesaplanmasında kullanılan bu yöntem çalışmayı daha ileriye taşımış oldu2.
EPFL’de geliştirilen yeni modelle araştırmacılar, ısı transferinde beklenen önemli azalmayı gözlemlediler ve herhangi bir ampirik veriye ihtiyaç duymadan fenomeni aşırı hassasiyetle tahmin ettiler.
Geliştirilen bilimsel modelin en büyük kazancı; hesaplama modelinin bir kuantum mekanizmasına ışık tutmasıdır.
Di Lucente, “İlk kez, bu çıngıraklı atomların kristaller içinde ısının nasıl iletildiği konusunda parçacık benzeri iletimden dalga benzeri tünellemeye geçerek bir iletime neden olduğunu bulduk” dedi. Yeni hesaplama modeli, maliyetli ampirik denemelere gerek kalmadan ultra düşük ısı iletkenliğine sahip yeni malzemeler tasarlamanın kapısını açarak bizi daha enerji verimli bir ekonomi yaratmaya önemli bir adım daha yaklaştırıyor.
Kaynaklar
Bu haber, atık ısıyı kullanmak ve daha sürdürülebilir bir geleceği oluşturmak adına yapılan çalışmaları vurgulamaktadır. EPFL Mühendislik Okulu’nun termoelektrik dönüşümünü daha verimli hale getirmede kaydettiği ilerleme, hem çevresel sürdürülebilirlik hem de enerji verimliliği açısından büyük bir adım. Özellikle skutteruditler gibi malzemeler üzerine yapılan bu detaylı çalışma ve geliştirilen yeni hesaplama modeli, termoelektrik teknolojinin pratik uygulamalarını önemli ölçüde iyileştirebilir.
En çok dikkatimi çeken yönlerinden biri, termoelektrik malzemelerin ısı iletimini düzenleyen fiziksel ilkelerin anlaşılmasının, malzeme bilimindeki standart yöntemlere kıyasla, daha hızlı ve ekonomik olarak etkin çözümler sunması. Ayrıca, “çıngıraklı atomlar” kavramı ve bu atomların ısı iletkenliğini nasıl azalttığının keşfi, gelecekteki malzeme tasarımı açısından keşfedilecek daha çok şey olduğunu gösteriyor.
Bu tür yenilikler, gerek endüstriyel uygulamalarda gerekse günlük hayatta enerji kullanımımızı daha verimli hale getirme potansiyeline sahip. Araştırma ekibini tebrik ediyor ve bu tür çalışmaların devamını merakla bekliyorum. Enerji verimliliği ve çevre dostu teknolojilerin gelişimi, gezegenimiz için hayati önem taşıyor.