کشف روشی جدید برای تبدیل گرما به برق

به گزارش برق نیوز، یک تیم بین‌المللی از دانشمندان متشکل از محققان دانشگاه ایالتی اوهایو، دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و آکادمی علوم چین راهی را برای جذب گرما و تبدیل آن به برق با استفاده از ذرات آهن‌ربا پیدا کرده‌اند.

این مطالعه این پتانسیل را دارد که روش‌های کارآمدی را برای تولید الکتریسیته از اگزوز خودروها، فرآیند‌های صنعتی و حتی مأموریت‌های فضایی ایجاد کند.

محققان کار خود را روی "پاراماگنون‌ها" متمرکز کردند که ذراتی کوچک دارای شار مغناطیسی هستند، اما خودشان آهن‌ربا نیستند. آهن‌ربا‌ها هنگام گرم شدن، نیروی مغناطیسی خود را از دست می‌دهند و پارامغناطیس می‌شوند. در این مرحله آن‌ها نمی‌توانند برای جمع آوری انرژی طبق تعریف متعارف خود استفاده شوند.

اما دانشمندان متوجه شدند که وقتی یک پارامغناطیس گرم می‌شود، می‌تواند گرما را جذب کرده و آن را به برق تبدیل کند.

"جوزف هرمانس" استاد مهندسی مکانیک و هوافضا از دانشگاه اوهایو گفت: تصور تاکنون بر این بود که اگر یک پارامغناطیس را گرم کنید، هیچ اتفاقی نمی‌افتد. اما ما فهمیدیم که این تصور درست نیست.

وی افزود: آنچه ما یافتیم، روشی جدید برای طراحی نیمه هادی‌های حرارتی است؛ موادی که گرما را به برق تبدیل می‌کنند. ترموالکتریک‌های رایجی که طی حدود ۲۰ سال گذشته وجود داشته‌اند بسیار ناکارآمد هستند و بازدهی کمی دارند؛ بنابراین کاربرد گسترده‌ای ندارند، اما این مطالعه این موضوع را تغییر می‌دهد.

البته محدودیت‌هایی در یافته‌های محققان وجود دارد. آن‌ها دریافتند که پاراماگنون‌ها می‌توانند الکترون‌ها را متفرق کنند، اما فقط برای یک میلیاردم میلیونیوم ثانیه! با این حال محققان می‌گویند که همین میزان هم برای تولید الکتریسیته کافی است.

"هرمان" گفت: با این کشف، ما باید بتوانیم انرژی الکتریکی بیشتری نسبت به آنچه امروز تولید می‌کنیم از گرما تولید کنیم. این چیزی است که تاکنون هیچ کس فکرش را نمی‌کرد ممکن باشد.

مغناطیس واژه‌ای است که برای نشان دادن پاسخ میکروسکوپی ماده به میدان مغناطیسی بکار می‌رود و فاز مغناطیسی ماده را نسبت به این پاسخ دسته‌بندی می‌نماید. برای نمونه شناخته‌شده‌ترین فاز مغناطیس، فرومغناطیس است که در آن ماده میدان پایدار مغناطیسی را در خود ایجاد می‌کند. نیکل، کروم، آهن، گادولینیوم و آلیاژهایشان از این دسته‌اند. البته همه مواد پاسخی در برابر میدان مغناطیسی از خود نشان می‌دهند. برخی مانند پارامغناطیس جذب میدان می‌شوند و برخی دیگر مانند دیامغناطیس از میدان رانده می‌شوند. برخی دیگر هم رفتار‌های پیچیده‌تری دارند. اثر میدان بر برخی مواد قابل چشم‌پوشی است که آن‌ها را نامغناطیس می‌نامند. آلومینیوم، مس، آب و گاز‌ها از این دسته‌اند.

یک ماده می‌تواند چندین فاز (حالت) مغناطیسی را دارا باشد، زیرا دما، فشار و شدت میدان بر فاز مغناطیسی تأثیرگذار خواهد بود.

خاصیت پارامغناطیس یا پارامغناطیسم نیز خاصیتی است که در آن ماده "پذیرفتاری مغناطیسی" مثبت (اما کوچک) دارد و در نتیجه الکترون‌های جفت نشده باعث تشدید میدان مغناطیسی در محیط دور و اطراف می‌گردند.

پارامغناطیس شکلی از خاصیت مغناطیسی مواد است که به واسطه آن برخی از مواد به وسیلهٔ میدان خارجی اعمال شده جذب می‌شوند. مواد پارامغناطیس شامل بیشتر عناصر شیمیایی و برخی از ترکیبات می‌شوند. آن‌ها تراوایی مغناطیسی نسبی بزرگتر یا مساوی با یک دارند و از همین رو توسط میدان مغناطیسی جذب می‌شوند. این مواد که به مقدار اندکی توسط یک میدان مغناطیسی جذب می‌شوند پس از قطع میدان حالت مغناطیسی خود را حفظ نمی‌کنند، زیرا با قطع میدان حرکت گرمایی موجب جهت‌گیری تصادفی اسپین‌ها می‌شود.

ویژگی‌های پارامغناطیس به دلیل وجود برخی از الکترون‌های جفت نشده و آرایش جدید مسیر‌های الکترونی است که به دلیل میدان مغناطیسی خارجی به وجود می‌آیند.

این تحقیق در مجله Science Advances به چاپ رسیده است.