热电:从热能中获取能量

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图片来源:Pixabay;在创作共用下使用。

火的发现是人类历史的转折点,原因有很多。火提供了可移动的温暖、光、保护,以及一种烹饪食物的新方法。这也是人类利用能源最成功的尝试之一。其他的主要发明包括水轮、蒸汽机和内燃机——所有这些都能将能量从一种形式转化为另一种形式。例如,古代的水磨将流动的水的动能转化为动能来磨碎谷物。

现代的水轮更加复杂和高效。水力发电厂不用转动轮子,而是利用涡轮机将瀑布的动能转化为机械能,然后由发电机将机械能转化为储存的电能。涡轮机、发电机和电池等技术进步推动世界进入了无处不在的电力时代。在储能和透光率方面的进一步突破使家庭用电像自来水一样普及。

尽管能量转换是多么普遍,但在这个过程中,能量几乎总是损失的。有些过程比其他过程损失更多。电力被认为是高级能源,因为它可以转化为其他形式的能源来使用和储存而没有重大损失。热能位于光谱的另一端。这是一种低等级的能量,这意味着试图将热量转换成其他形式的能量通常代价昂贵,效率相对较低。(最引人注目的例外是地热供暖,这只是全球某些地区的一种选择。)在大多数情况下,热能被当作废热,直接释放到环境中。

乔纳森Pfluger但是像乔纳森·普夫卢格这样的科学家正在努力将热能重新转化为高能量。Pfluger是西北大学沃尔弗顿实验室的一名研究生。www.18luck.inf根据Pfluger的说法,他的工作“处于计算机科学、量子力学和能量材料的交叉领域”。他是西北大学一个大型合作项目的成员,该项目旨在利用计算机的力量设计和改进材料系统和能量转换。

Pfluger研究的是热电学:在热和电领域之间有着奇妙联系的材料。通过将电池连接到热电材料块(施加电压差),该块将产生一个温度梯度:一边会比另一边变热。相反,加热或冷却块的一端(应用热梯度)将导致块产生电压差。通过加热,积木就可以充当电池了。想象一下热电驱动装置的潜力——人们可以仅仅利用身体的热量为手机充电。

问题是,天然热电材料非常罕见。相反,Plfuger和他的合作者正在设计人造的热电装置。“我们正在寻找具有高电子导电性和低导热性的材料,”Pfluger说。研究人员通常从一种自然表现出这些特性之一的材料入手,然后试图用杂质“掺杂”它,以增加其他特性的强度。然而,在合成实验室里,研究人员可以测试数千种不同的化学组合,然后才能找到一种有希望的。这些尝试在时间和精力上都是昂贵的。

为了加快搜索过程,Pfluger利用超级计算机的能力寻找有前途的热电化学组合。原子的复杂物理使得用手计算选定的化学组合的电子传导率和热传导率几乎是不可能的。但是超级计算机可以。一旦程序编制正确,超级计算机就可以在原子的时间和空间尺度上进行极其密集的计算模拟。通过强大的计算机,Pfluger和其他计算研究人员可以模拟比人类头发宽度小十亿分之一的亚原子粒子,以及比眨眼速度快十亿倍的原子过程和相互作用。

Pfluger的模拟可能需要数天的时间来运行,但它们比在实验室中创建每个候选材料的物理样本和用复杂的设备来描述它们的特性要快得多,Pfluger的合作者就是这样做的。同时,仿真结果必须通过实验进行验证。因此,Pfluger的计算工作与他的合作者的实验室实验是密切相关的。“我们正在进行一场激烈的战斗,”他笑着说。“我们正在看谁能工作得更快。”

Pfluger认识到他的研究有其局限性。展望未来,他指出“这条大道是崎岖不平的。让材料的效率足以捕获20%的总热量损失是很困难的。”另外,大多数已知的热电材料在300°C以上的温度下效率最高。由于人类在37°C左右工作,而汽车发动机在100°C左右工作,所以在汽车或人身上安装电流储能热电装置是不切实际的。然而,低效率的热电材料在大型工业应用中越来越普遍,如传感器、冷却器和废物能源回收。

低能回用是一场硬仗。但是现在有一些新的产品每天都依靠电力运行,热电产品可以提供非常独特的功能。18luck手机客户端下载通过为他们的超级计算机提供电力的帮助,像Pfluger这样的研究人员可以找到未来的热电材料,这些材料的应用是今天的工程师只能梦想的。

这个特征来源于《科学与社会》杂志的一个采访任务技能与职业科学写作课程。研究生科学家们互相采访,撰写他们同事的工作,精选的文章发表在HELIX上。

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