استفاده از مواد مغناطیسی برای تبدیل انرژی حرارتی

تولید برق از گرما توسط مواد مغناطیسی

اخیرا دانشمندان روشی را کشف کرده اند که توسط آن می توانند گرما را با بازدهی مناسبی به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. این یعنی تولید منبع عظیمی از انرژی از هدر رفت گرمای وسایلی نظیر اگزوز خودروها، فضاپیماها و فرایندهای صنعتی!

این اکتشاف که هفته‌ی گذشته در مجله‌ی Science Advances منتشر شد، روشی جدید در خصوص تولید برق از گرما را معرفی می کند که می توان از هدر رفت گرمای وسایل استفاده‌ی بهینه ای کرد.

دکتر Joseph Heremans محقق برجسته فناوری نانو در دانشگاه ایالت اوهایو در این خصوص می گوید: “با این اکتشاف، ما قادر خواهیم بود تا مقدار بیشتری از انرژی حرارتی هدر رفته را در مقایسه با امروز، به انرژی الکتریکی تبدیل کنیم. تا امروز، کسی باور نداشت که چنین کاری امکان پذیر باشد.”

این کشف بر پایه‌ی ذرات ریزی است که پارامگنون “Paramagnon” نامیده می شوند. ذراتی که آهنربای کامل نیستند، اما می توانند مقداری شار مغناطیسی را حمل کنند. اما چه چیز است که باعث اهمیت این ذرات تا این حد شده است؟

در خصوص بررسی اهمیت پارامگنون ها،گروهی تحقیقاتی متشکل از دانشمندان ایالت اوهایو، دانشگاه ایالت کارولینای شمالی و آکادمی علوم چین شروع به تحقیقات بر روی این ذرات کردند. هدف از این تحقیق، بررسی ایجاد اسپین توسط این ذرات در موقعیت های مناسب بود. چیزی که این گروه تحقیقاتی به آن دست یافت، در واقع ایجاد نوعی از اسپین بود که الکترون ها را جابجا می کرد و آن ها را قادر می ساخت تا انرژی را جمع آوری کنند.

اما منظور از اسپین در این جا چیست؟

همان طور که می دانیم، آهنرباها وقتی گرم می شوند، خاصیت مغناطیسی خود را تا حد زیادی از دست می دهند و به چیزی تبدیل می شوند که آن را پارامغناطیس می نامیم. شاری از مغناطیس که دانشمندان آن را اسپین “Spin” می نامند، نوعی انرژی تولید می کند که به “magnon-drag thermoelectricity” معروف است. این انرژی سبب جابجایی الکترون ها و تبدیل آن ها به جریان الکتریکی می شوند.

آهنرباها می توانند قطعاتی مهم برای جمع آوری انرژی و تولید برق از گرما باشند. هنگامی که یک طرف آهنربا گرم می شود، طرف دیگر که سرد است، مغناطیسی تر می شود که ایجاد اسپین می کند. در نتیجه الکترون ها در یک جهت سوق داده شده و الکتریسیته ایجاد می شود.

دکتر Heremans می گوید: “تاکنون برداشتی که وجود داشته، چنین بوده است که با گرم کردم مواد پارامغناطیس هیچ اتفاقی نخواهد افتاد. چیزی که ما کشف کردیم، این نظریه را رد می کند! چیزی که ما کشف کردیم، روشی جدید برای طراحی نیمه هادی های ترموالکتریکی است. وسایل ترموالکتریکی که ما در طول ۲۰ سال گذشته از آن‌ها استفاده کرده‌ایم، بسیار ناکارآمد هستند! آن ها برای تبدیل انرژی بازدهی پایینی دارند اما با این کشف قادر خواهیم بود وسایل ترموالکتریکی با بازدهی بالایی تولید کنیم.”

Journal Reference:

Y. Zheng, T. Lu, Md M. H. Polash, M. Rasoulianboroujeni, N. Liu, M. E. Manley, Y. Deng, P. J. Sun, X. L. Chen, R. P. Hermann, D. Vashaee, J. P. Heremans, H. Zhao. Paramagnon drag in high thermoelectric figure of merit Li-doped MnTe. Science Advances, 2019; 5 (9): eaat9461 DOI: ۱۰٫۱۱۲۶/sciadv.aat9461