Μπορεί η ηλεκτρική ενέργεια να μετατραπεί εύκολα σε θερμότητα-κάθε ηλεκτρική κουζίνα το αποδεικνύει. Αλλά ισχύει το αντίστροφο; Μπορεί η θερμότητα να μετατραπεί σε ηλεκτρισμό απευθείας, χωρίς τουρμπίνες ή άλλους μηχανικούς μεσάζοντες;
Ο φυσικός Thomas Seebeck απάντησε καταφατικά πριν από περισσότερα από 200 χρόνια. Ανακάλυψε ότι ορισμένα υλικά, γνωστά ως θερμοηλεκτρικά, παράγουν ηλεκτρισμό όταν θερμαίνονται από τη μία πλευρά και ψύχονται από την άλλη. Η διαφορά θερμοκρασίας δημιουργεί ηλεκτρική ενέργεια χωρίς καμία μηχανική γεννήτρια-ένα φαινόμενο που σήμερα ονομάζεται φαινόμενο Seebeck.
Αν και αυτές οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες είναι χρήσιμες σε αποστολές στο διάστημα ή όπου χρειάζονται μικρές ποσότητες ενέργειας, τα υλικά που χρησιμοποιούνται έως τώρα δεν είναι αρκετά αποδοτικά ώστε να αντικαταστήσουν τα συμβατικά εργοστάσια παραγωγής ενέργειας.
Η ερευνητική πρόοδος στο TU Wien
Η ομάδα του καθηγητή Andrej Pustogow στο Ινστιτούτο Φυσικής Συμπυκνωμένης Ύλης του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Βιέννης (TU Wien) μελέτησε νέα υλικά με βελτιωμένες θερμοηλεκτρικές ιδιότητες. Με μια πρωτοποριακή προσέγγιση, κατάφερε να αυξήσει σημαντικά την απόδοση αυτών των υλικών. Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review X.
Περισσότερη θερμότητα – μεγαλύτερη κινητικότητα
Το φαινόμενο Seebeck βασίζεται στη διαφορά ταχύτητας μετακίνησης των φορέων θετικού και αρνητικού φορτίου, που εξαρτάται από το υλικό και τη θερμοκρασία. Όταν μόνο τα αρνητικά φορτία κινούνται σε έναν ημιαγωγό, η θέρμανση της μιας πλευράς τα κάνει να μετακινούνται πιο γρήγορα, προκαλώντας έλλειμμα αρνητικών φορτίων εκεί-και έτσι δημιουργείται τάση.
Στα μεταλλικά υλικά όμως, κινούνται και τα θετικά και τα αρνητικά φορτία, που καταλήγουν να ισοσκελίζουν μεταξύ τους αυτή τη διαφορά-και έτσι η δημιουργία τάσης δεν είναι δυνατή. Αυτός είναι και ο λόγος που τα μέταλλα είχαν αποκλειστεί από την έρευνα για θερμοηλεκτρικά.
Η κυκλοφοριακή συμφόρηση ως λύση
Η καινοτομία της ομάδας ήταν να επιβραδύνει επιλεκτικά τους θετικούς φορείς φορτίου. Όπως το έθεσε ο Pustogow:
«Φανταστείτε ότι οι θετικοί και οι αρνητικοί φορείς κινούνται σε ξεχωριστές λωρίδες ενός αυτοκινητοδρόμου. Αν δημιουργήσουμε κυκλοφοριακή συμφόρηση στη μία λωρίδα, οι θετικοί φορείς καθηλώνονται ενώ οι αρνητικοί συνεχίζουν ανεμπόδιστα».
Αυτό επιτυγχάνεται με την προσθήκη ακίνητων φορτίων στο υλικό. Η ομάδα είχε ήδη επιδείξει αυτή την τεχνική με κράματα νικελίου-χρυσού το 2023. Τώρα, κατάφεραν το ίδιο με ένα πολύ πιο φθηνό υλικό: ένα κράμα νικελίου-ινδίου.
Η γεωμετρία kagome και τα «παγιδευμένα φορτία»
Οι ερευνητές βρήκαν έμπνευση από τη γεωμετρία kagome-ένα παραδοσιακό ιαπωνικό σχέδιο καλαθιού με εξάγωνα και τρίγωνα. Στη φύση, υπάρχουν υλικά στα οποία τα άτομα σχηματίζουν αυτό το γεωμετρικό μοτίβο, το οποίο προκαλεί το φαινόμενο της «γεωμετρικής απογοήτευσης», περιορίζοντας την κινητικότητα των φορτίων.
Σε αυτά τα μέταλλα kagome, οι θετικοί φορείς παγιδεύονται, ενώ οι αρνητικοί κινούνται απρόσκοπτα. Το αποτέλεσμα είναι ένα πολύ ισχυρό φαινόμενο Seebeck-ισχυρότερο ακόμη και από αυτό των εμπορικών υλικών όπως το τελλουρίδιο του βισμουθίου.
Χρυσές προοπτικές-χωρίς χρυσό
«Με αυτά τα μέταλλα kagome, χτυπήσαμε φλέβα χρυσού», λέει ο Pustogow. «Τώρα βελτιστοποιούμε συστηματικά τις θερμοηλεκτρικές τους ιδιότητες αξιοποιώντας την εμπειρία μας στα “frustrated materials”». Με αυτή την προσέγγιση, τα θερμοηλεκτρικά μπορεί τελικά να γίνουν ένας πρακτικός τρόπος μετατροπής της θερμότητας σε ηλεκτρισμό, με χαμηλό κόστος και υψηλή απόδοση.
Περισσότερες πληροφορίες: Fabian Garmroudi et al, Τοπολογική Μεταλλική Θερμοηλεκτρική Ενέργεια που Οδηγείται από Επίπεδη Ζώνη, Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/PhysRevX.15.021054
Πληροφορίες περιοδικού: Physical Review X
Παρέχεται από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης
