تبدیل گرما به برق با استفاده از تنگستن دیسیلیسید (WSi₂): فناوری آینده در بهرهوری انرژی
در دنیای امروز، جستجو برای یافتن راهکارهایی جهت بازیابی انرژی اتلافی و استفاده بهینه از منابع انرژی به یکی از مهمترین چالشها تبدیل شده است. یکی از فناوریهای امیدوارکننده در این زمینه، استفاده از مواد ترموالکتریک برای تبدیل گرما به برق است. یکی از موادی که اخیراً مورد توجه قرار گرفته، تنگستن دیسیلیسید (WSi₂) است که به دلیل خواص منحصربهفرد خود پتانسیل بالایی در این فناوری دارد. در این مقاله به بررسی ویژگیها، نحوه عملکرد و کاربردهای این ماده میپردازیم.
ترموالکتریک چیست؟
ترموالکتریک به پدیدهای اشاره دارد که در آن انرژی گرمایی به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. این فرآیند بر اساس اثر سیبک (Seebeck Effect) انجام میشود. وقتی یک طرف ماده گرمتر از طرف دیگر باشد، اختلاف دما باعث ایجاد حرکت حاملهای بار (الکترونها یا حفرهها) در ماده شده و در نهایت، ولتاژی در دو سر ماده تولید میشود. این ولتاژ را میتوان برای تولید برق مورد استفاده قرار داد.
مواد ترموالکتریک به دلیل امکان استفاده از گرمای اتلافی، مانند گرمای خروجی از اگزوز خودروها یا صنایع، بهعنوان فناوری نوظهور برای بهرهوری انرژی در حال توسعه هستند.
ویژگیهای تنگستن دیسیلیسید (WSi₂)
تنگستن دیسیلیسید، ترکیبی از فلز تنگستن و سیلیسیوم، به دلیل ترکیب بینظیر خواص حرارتی و الکتریکی، گزینهای جذاب برای کاربردهای ترموالکتریک است.
1. رسانایی الکتریکی بالا
این ماده به دلیل ساختار الکترونی خود، هدایت الکتریکی بالایی دارد که برای تولید جریان برق در سیستمهای ترموالکتریک حیاتی است.
2. رسانایی گرمایی پایین
رسانایی گرمایی کم یکی از ویژگیهای کلیدی مواد ترموالکتریک است، زیرا به حفظ اختلاف دمایی در طول ماده کمک میکند. WSi₂ در این زمینه عملکرد بسیار خوبی دارد.
3. پایداری حرارتی و شیمیایی
WSi₂ در دماهای بالا (تا بیش از 1000 درجه سانتیگراد) پایداری خود را حفظ میکند، بنابراین برای استفاده در محیطهای صنعتی و خشن مناسب است.
4. دوام و دسترسی
سیلیسیوم و تنگستن به راحتی در دسترس هستند، که میتواند هزینههای تولید دستگاههای مبتنی بر این ماده را کاهش دهد.
نحوه عملکرد تنگستن دیسیلیسید در سیستمهای ترموالکتریک
دستگاههای ترموالکتریک سنتی موازی ولتاژی را در جهت جریان گرما تولید میکنند. این دستگاهها بر ۲ نوع ماده موازی نوع p و نوع n متکی هستند که ولتاژهایی را در جهت مخالف تولید میکنند. دستگاهها هنگامی که بهصورت سری متصل میشوند، ولتاژ قویتری خواهند داشت اما این پیکربندی تعداد نقاط تماس را افزایش میدهد و منجر به مقاومت الکتریکی و اتلاف انرژی میشود.
در مقابل، دستگاههای ترموالکتریک عرضی (TTE) الکتریسیته عمود بر جریان گرما تولید میکنند و نقاط تماس کمتری دارند تا تبدیل انرژی بهشکل کارآمدتری امکانپذیر شود. در این دستگاهها از موادی با خواص موسوم به «قطب رسانایی وابسته به محور» (ADCP) استفاده میشود. این مواد بارهای مثبت (نوع p) را در یک جهت و بارهای منفی (نوع n) را در جهت دیگر هدایت میکنند. باوجود پتانسل زیاد این نوع مواد، تاکنون زیاد بررسی نشدهاند.
اکنون محققان ژاپنی در پژوهش جدید تمرکز خود را روی تنگستن دیسیلیسید گذاشتهاند که خاصیت ADCP دارد. محققان خواص WSi2 را از طریق آزمایشهای فیزیکی و شبیهسازیهای کامپیوتری تجزیهوتحلیل کردند. آنها دریافتند WSi2 ساختار منحصربهفردی دارد؛ بهعبارتی، نتایج پژوهش محققان نشان میدهد تنگستن دیسیلیسید نامزد امیدوارکنندهای برای دستگاههای ترموالکتریک عرضی است.
فرآیند تبدیل گرما به برق با استفاده از WSi₂ به این شکل است:
1. ایجاد اختلاف دما: یک طرف ماده با گرما (مثلاً از طریق اگزوز خودرو یا گرمای خروجی از موتور) و طرف دیگر با سیستم خنککننده سرد نگه داشته میشود.
2. حرکت حاملهای بار: به دلیل اختلاف دمایی، الکترونها (یا حفرهها) در ساختار ماده شروع به حرکت میکنند.
3. تولید ولتاژ: این حرکت، ولتاژی در دو سر ماده ایجاد میکند که میتواند برای تولید برق استفاده شود.
با افزایش کارایی مواد ترموالکتریک، این فرآیند میتواند منجر به تولید برق با بازدهی بالا از گرمایی شود که در حال حاضر به هدر میرود.
کاربردهای تنگستن دیسیلیسید
1. بازیابی گرمای اتلافی در صنعت
یکی از کاربردهای مهم این فناوری، بازیابی گرمای اتلافی در صنایع مختلف مانند کارخانهها، پالایشگاهها و نیروگاهها است. استفاده از WSi₂ در این سیستمها میتواند منجر به کاهش مصرف انرژی و هزینههای عملیاتی شود.
2. صنعت خودروسازی
در خودروها، گرمای اتلافی از طریق اگزوز یا سیستمهای موتور میتواند به برق تبدیل شود و برای تأمین انرژی سیستمهای داخلی خودرو مورد استفاده قرار گیرد.
3. فضا و هوافضا
در مأموریتهای فضایی، اختلاف دمای شدید در فضا میتواند بهعنوان منبع انرژی استفاده شود. WSi₂ به دلیل پایداری حرارتی بالا، گزینهای ایدهآل برای تولید انرژی در چنین شرایطی است.
4. حسگرها و ابزارهای پیشرفته
این ماده میتواند در طراحی حسگرهای حرارتی پیشرفته که نیاز به عملکرد دقیق در دماهای بالا دارند، مورد استفاده قرار گیرد.
چالشها و آینده پژوهشها
اگرچه تنگستن دیسیلیسید پتانسیل بالایی دارد، اما هنوز نیازمند تحقیقات بیشتری است. از جمله چالشهای پیشرو:
• افزایش بهرهوری ترموالکتریک: باید ضریب کارایی (ZT) این ماده بهینه شود.
• کاهش هزینه تولید: فرآیندهای ساخت باید اقتصادیتر شوند.
• توسعه در مقیاس صنعتی: این ماده هنوز به طور گسترده در سیستمهای عملیاتی مورد استفاده قرار نگرفته است.
نتیجهگیری
تنگستن دیسیلیسید یکی از مواد نوظهور در حوزه ترموالکتریک است که میتواند انقلابی در استفاده از انرژیهای اتلافی ایجاد کند. با تحقیقات بیشتر و توسعه فناوریهای مبتنی بر این ماده، میتوان شاهد کاهش چشمگیر مصرف انرژی و پیشرفتهایی در حوزههای صنعتی، خودروسازی و فضایی بود.
این فناوری نویدبخش آیندهای پایدارتر و کارآمدتر برای مصرف انرژی است.
شایان ذکر می باشد یافتههای این پژوهش در PRX Energy منتشر شده است.