วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูงที่เปลี่ยนแปลงเกมสามารถช่วยลดการปล่อยความร้อนได้

ทีมงานที่นำโดย Xueyan Song ศาสตราจารย์และ George B. Berry ประธานฝ่ายวิศวกรรมที่ Benjamin M. Statler College of Engineering and Mineral Resources ได้สร้างวัสดุเซรามิกออกไซด์ที่ช่วยแก้ปัญหาด้านประสิทธิภาพที่มีมายาวนานซึ่งรบกวนเครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริก อุปกรณ์เหล่านั้นสามารถผลิตไฟฟ้าจากความร้อน รวมถึงการปล่อยความร้อนจากโรงไฟฟ้า ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดภาวะโลกร้อน ทีมงานของ ซ่ง เซรามิกออกไซด์ที่ล้ำหน้าได้ผลิต "บรรลุประสิทธิภาพที่สูงเป็นประวัติการณ์ซึ่งถือว่าเป็นไปไม่ได้" เธอกล่าว "เราได้สาธิตเทอร์โมอิเล็กทริกออกไซด์เซรามิกที่ดีที่สุดที่มีรายงานในภาคสนามทั่วโลกในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา และผลลัพธ์ที่ได้ก็เปิดแนวทางการวิจัยใหม่ ๆ ที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานต่อไปได้" Cesar Octavio Romo de la Cruz, Yun Chen, Liang Liang และ Sergio A. Paredes Navia มีส่วนร่วมในการศึกษานี้ โดยได้รับการสนับสนุนจากกองทุน National Science Foundation มูลค่า 639,784 ดอลลาร์ การค้นพบนี้ปรากฏในบทวิจารณ์พลังงานทดแทนและพลังงานที่ยั่งยืน เซรามิกออกไซด์มาจากตระกูลเดียวกับวัสดุต่างๆ เช่น เครื่องปั้นดินเผา เครื่องเคลือบดินเผา อิฐดินเหนียว ซีเมนต์ และซิลิกอน แต่มีองค์ประกอบที่เป็นโลหะหลายชนิด มีความแข็ง ทนต่อความร้อนและการกัดกร่อน และเหมาะสำหรับการใช้งานในอากาศที่มีอุณหภูมิสูง สามารถใช้เป็นวัสดุสำหรับส่วนประกอบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก อย่างไรก็ตาม ออกไซด์เซรามิกมีโครงสร้าง "โพลีคริสตัลไลน์" ที่ประกอบด้วยคริสตัลหลายชิ้นที่เชื่อมต่อกัน วิศวกรประสบปัญหากับการใช้งานเทอร์โมอิเล็กทริกขนาดใหญ่สำหรับวัสดุเหล่านั้น เนื่องจาก "ขอบเขตเกรน" ซึ่งเป็นจุดที่ผลึกเหล่านั้นมาบรรจบกัน ปิดกั้นกระแสและการไหลของอิเล็กตรอนที่ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริก ทีมของซ่งเปลี่ยนสิ่งกีดขวางให้เป็นบันได "เราจงใจเติม 'สารเจือปน' หรือไอออนของโลหะเข้าไปในเซรามิกคริสตัลโพลีคริสตัล เพื่อขับสารเจือปนชนิดพิเศษให้แยกออกจากกันจนถึงขอบเกรน" โรโม เดอ ลา ครูซ นักวิจัยหลังปริญญาเอกกล่าว "นั่นคือวิธีที่เราเปลี่ยนขอบเขตของเกรนที่เป็นอันตรายและหลีกเลี่ยงไม่ได้ให้กลายเป็นเส้นทางการนำไฟฟ้า ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของเทอร์โมอิเล็กทริกได้อย่างมาก" งานวิจัยนี้ตอบสนองต่อปัญหาที่เพิ่มขึ้นของความร้อนเหลือทิ้ง ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและผลพลอยได้จากการดำเนินงานส่วนใหญ่ที่เปลี่ยนเชื้อเพลิงเป็นพลังงาน เมื่อหลอดไฟร้อนเมื่อสัมผัส หลอดไฟจะปล่อยความร้อนเหลือทิ้ง ซึ่งเป็นพลังงานพิเศษที่ไม่มีประสิทธิภาพ ซึ่งไม่ได้ช่วยงานหลักในการผลิตแสง ความร้อนเหลือทิ้งถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศโดยระบบต่างๆ เช่น โรงไฟฟ้า ระบบทำความร้อนในบ้าน และรถยนต์ และมีปริมาณมากพอที่จะถูกปล่อยออกมาจนตลาดโลกสำหรับระบบที่นำความร้อนกลับมาใช้ใหม่นี้คาดว่าจะมีมูลค่าเกิน 70 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2569 โรโม เดอ ลา ครูซ อธิบายว่า "ความร้อนถูกใช้ในการผลิตเกือบทุกอย่างตั้งแต่อาหารไปจนถึงโลหะและไฟฟ้า" เกม "แต่ในระหว่างกระบวนการเหล่านั้น พลังงานที่ผลิตได้ประมาณ 60% จะถูกปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมในรูปของความร้อนอย่างไม่ก่อให้เกิดประโยชน์ การนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ใหม่จะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการสร้างสมดุลระหว่างความต้องการไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นเทียบกับการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ของกระบวนการทางอุตสาหกรรม เทอร์โมอิเล็กทริกออกไซด์ เซรามิกส์เช่นเรามีบทบาทอย่างมากโดยการปรับปรุงความสามารถของเครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริกเพื่อเปลี่ยนความร้อนเหลือทิ้งเป็นไฟฟ้า" เครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริกเป็นเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มดีในการนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้ใหม่ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะใช้งานและบำรุงรักษาง่าย เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีประสิทธิภาพสามารถจับความร้อนทิ้งจากโรงไฟฟ้าได้เป็นจำนวนมาก แต่ "สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ เทคโนโลยีเทอร์โมอิเล็กทริกไม่มีประสิทธิภาพเกินกว่าจะประหยัดได้" ซองกล่าว "การขาดประสิทธิภาพของเทอร์โมอิเล็กทริกในการแปลงพลังงานเป็นอุปสรรคอย่างมากต่อการพัฒนาอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริก แม้ว่าจะมีความจำเป็นอย่างมากก็ตาม" ห้องปฏิบัติการของเธอแก้ไขปัญหาดังกล่าวโดยใช้วิศวกรรมโครงสร้างนาโน จัดการกับโครงสร้างผลึกของเซรามิกในระดับอะตอมที่สามารถมองเห็นได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเท่านั้น เพื่อสร้างวัสดุโพลีคริสตัลไลน์ที่มีพื้นผิวหนาแน่นซึ่งมีประสิทธิภาพดีกว่าวัสดุผลึกเดี่ยวที่เป็นมาตรฐานในปัจจุบัน แม้ว่าการปรับแต่งประสิทธิภาพของวัสดุต่างๆ สำหรับเทอร์โมอิเล็กทริกได้กระตุ้นการทำงานเชิงทฤษฎีและการทดลองอย่างเข้มข้นมานานหลายทศวรรษ แต่ Song เชื่อว่าสำหรับเซรามิกออกไซด์จำนวนมาก ห้องปฏิบัติการของเธอเป็นห้องแรกที่แสดงให้เห็นถึงการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตพลังงานจากความร้อนผ่านนาโนและนาโน วิศวกรรมระดับอะตอมของขอบเขตเกรนระหว่างผลึก "งานนี้อยู่ที่จุดสูงสุดของการนำความร้อนเหลือทิ้งจากอุณหภูมิสูงกลับมาใช้ใหม่" เธอกล่าว "สิ่งนี้นำไปสู่ยุคใหม่สำหรับออกไซด์เซรามิก และสอดคล้องกับความคิดริเริ่ม Industrial Heat Shot ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีลดคาร์บอนจากความร้อนในอุตสาหกรรมที่มีต้นทุนที่แข่งขันได้ โดยลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกอย่างน้อย 85% ภายในปี 2578 การค้นพบของเราสามารถช่วยอำนวยความสะดวกและเร่งวัสดุ การออกแบบที่มีขนาดสูงกว่าศิลปะปัจจุบัน”