Zinātnieki no Dienvidaustrumu universitātes Ķīnā ir izstrādājuši jaunu cementu balstītu materiālu, kas spēj ražot un uzglabāt elektrību no siltuma.
Izdots paziņojums, ka šī ir cementa un hidrogela maisījums, kuru izstrādāja zinātnieku grupa profesora Džou Jana vadībā. Zinātniekus iedvesmoja augu kātu slānveida struktūra, lai radītu materiālu, kas pārveidotu siltuma enerģiju elektriskajā un uzglabātu to.
Jaunais cementa un hidrogela bāzes materiāls demonstrē termoelektriskās jaudas koeficientu (Zēbeka koeficients) — 40,5 mV/K un kvalitātes koeficientu parametrs svārstību sistēmai, kas nosaka rezonanses platumu un raksturo, cik reizes enerģijas krājumi sistēmā pārsniedz enerģijas zudumus fāzes maiņas laikā par 1 radiānu. Jo augstāka ir svārstību sistēmas kvalitāte, jo mazāki enerģijas zudumi katrā periodā, un jo lēnāk slāpējas svārstības — 6,6×10-². Šīs vērtības ir 10 un 6 reizes augstākas par tām, kas reģistrētas līdzīgiem cementa bāzes termoelektriskiem materiāliem
Cements piemīt jonveida termoelektriskās efekta īpašības, t.i., spēj ģenerēt elektrību. Tomēr šis efekts parasti ir pārāk vājš, lai izmantotu to praksē. Tas ir tāpēc, ka cementa struktūra ir pārāk blīva, kas ierobežo jonu kustības ātrumu.
«Atšķirība starp katjonu un anjonu difūzijas ātrumu cementa šķīdumā ar porām šīs atšķirības dēļ savstarpējā darbība ar poru sienām piešķir cementam jonveida termoelektriskās īpašības. Tomēr poru izolācija ar blīvu cementa matrici kavē ātru jonu transportēšanu ar lielu difūzijas ātrumu, novēršot mobiliātes atšķirības palielināšanu starp joniem un ierobežojot Zēbeka koeficienta paaugstināšanu», — skaidro pētnieki.
Lai risinātu šo problēmu, zinātnieki radīja daudzslāņu struktūru. Šajā struktūrā cementa slāņi mijās ar hidrogelu slāņiem polivinilspirta. Hidrogela slāņi ātri laiž cauri hidroksīdajonus (OH-). Vienlaikus reģioni starp cementu un hidrogelu ir projektēti tā, lai cieši saistītos ar kalcija joniem (Ca²⁺) un vājāk ar OH-.
Šis disbalanss ļauj palielināt termoelektrisko efektu, paātrinot noteiktu jonu kustību un radot būtisku mobilitātes starpību. Tomēr inovatīvais materiāls ne tikai spēj ģenerēt elektrību, bet arī to uzglabāt kā akumulators. Daudzslāņu struktūra piešķir tam gan izturīga materiāla īpašības, gan spēju uzglabāt elektrisko enerģiju. Nākotnē tas ļaus ēkām, tiltiem, ceļiem, kas būvēti no šī materiāla, nodrošināt ar enerģiju sensorus un bezvadu sakaru sistēmas, kas tieši integrētas konstrukcijās.
Pētnieku ieskatā, izstrādātā daudzslāņu struktūra ļauj izveidot lielu daudzumu savstarpējās darbības vietu, kas uzlabos jonu efektivitāti cementā un veicinās termoelektrisko īpašību uzlabošanu. Iedomājieties ietves, kas nodrošina ar enerģiju ielu apgaismojumu, vai tiltus, kas kontrolē savu strukturālo stāvokli bez ārējiem enerģijas avotiem.
Pētījuma rezultāti publicēti žurnālā Science Bulletin
Jauni titāna oksīda plēves uzreiz pārveido saules gaismu siltumā
Vēl viens nozīmīgs sasniegums energoefektivitātē ir Kanādas Nacionālā zinātnisko pētījumu institūta zinātnieku attīstība.
Zinātniekiem ir izdevies izveidot plānu plēvi, kuras pamatā ir īpašas Ti₄O₇ fāzes titāna oksīds, kas pazīstams kā "Mageli fāzes", tie ir titāna suboksīdi pulvera veidā ar unikālām elektriskām un ķīmiskām īpašībām. Jaunais materiāls spēj tieši pārveidot saules gaismu siltumā ar izcilu efektivitāti.
«Ti₄O₇ klasiskā veidā sintezē ar termiskās atgriešanas metodēm pulverveidā. Šīs metodes parasti nespēj sintezēt tīru Ti₄O₇ fāzi un/vai precīzi kontrolēt tā sastāvu, morfoloģiju un nanostruktūru», — skaidro viens no vadošajiem pētījuma autoriem, Nacionālā zinātnisko pētījumu institūta studiju students, Loiks Pišons.
Pēc viņa vārdiem, ar šīm metodēm biežāk iegūst jauktas fāzes, kas ierobežo materiāla īpašības, īpaši elektrovadītspēju. Turklāt piemērots izmantojams materiāls ir ierobežots ar mazo granulmu izmēriem.
Lai atrisinātu šo problēmu, komanda profesora Eli Hakani vadībā izmantoja magnetroniskās izsmidzināšanas metodi. Šī metode ļauj uzklāt plānas plēves, un tā ir plaši izmantota pusvadītāju rūpniecībā. Ar šo tehnoloģiju izstrādātājiem izdevās uzlikt Ti₄O₇ plānās plēves ar dažiem simtiem nanometru biezumu uz metālu, silīcija un stikla rakstiem.
«Šādā veidā uzklātais Ti₄O₇ pārklājums pilnīgi maina substrāta virsmas īpašības, kas citādi varētu būt pietiekami vai ar neviendabīgu struktūru (metāla plāksnes, silīcija plāksnes vai stikla plāksnes)», — skaidro pētījuma vadītāja, profesore Eli Hakani.
Zinātnieki atzīmē, ka izstrādātās plānās plēves, kas balstītas uz Ti₄O₇, var izmantot augstas veiktspējas anodu ražošanā ūdens attīrīšanai. Turklāt materiāls var būt ārkārtīgi noderīgs ūdeņraža un amonjaka ražošanā. Šāda veida pārklājums var tikt izmantots gudrajos logiem ar apkuri, kas veicinās māju energoefektivitātes paaugstināšanu.
Fizikas zinātnieki noteikuši ideālu siltuma saglabāšanas formas jumtus mājās
Profesors no mehānikas inženierijas katedras Džūka universitātē ASV Adrians Bežans kopā ar mehānikas inženierijas un materiālzinātnes vicespētniecei no Starptautiskās Floridas universitātes Pežmanu Mardanpuru noteica jumtu formas mājās, kas ideāli saglabā siltumu.
Pēc pētnieku aprēķiniem viena virsotne uz A veida rāmja vai apaļa konusa, ja šī virsotne būs mazāka par 0,9 m augstumā, gaiss plūstēs gludi un vienmērīgi pa to, kā ūdens, kas steidzies pa izlietnes malām.
Pamatojoties uz šiem gaisa plūsmas un siltumapmaiņas fizikālajiem pamatiem, ja jumta skurstens ir īsāks par 0,9 m, tam vajadzētu būt apmēram trīs vai četras reizes platākam nekā tā augstums, lai minimizētu siltuma zudumus.
Pētījuma rezultāti tika publicēti žurnālā International Communications in Heat and Mass Transfer
Atsaukties uz Interesting Engineering; TechXplore
Komentāri (0)
Šobrīd nav neviena komentāra