A termoelektromos generátorok (thermoelectric generator/TEG) nem feltétlen váltják ki a fosszilis tüzelést, viszont jóval hatékonyabbá teszik azt, így akár  kibocsájtáscsökkentés is elérhető általuk, mivel a feleslegben keletkezett hőt elektromos árammá alakítják. A működési elvük a Seebeck-effektusra épül, tehát arra, hogy ha két különböző fémet két helyen összekapcsolnak, és a kapcsolódási pontok különböző hőmérsékletűek, akkor ezen pontok között elektromos feszültség jelenik meg.

Ennyiből talán látható, hogy a generátorban használt anyagok kapcsán az az elvárás, hogy minél kevésbé melegítsék fel egymást, mivel ha a melegebb rész felmelegíti a hidegebbet, akkor leáll az elektromos áramlás. Vagyis a generátort felépítő anyagoknak magas kell legyen az elektromos vezetőképessége, míg a hővezető képesség ennek ellentéte: ez utóbbiból alacsonyra van szükség. Ezt a két tényezőt együttesen vizsgáló együtthatót érdemi együtthatónak (zT) nevezzük, és ez mutatja egy adott anyag termoelektromos teljesítményének a hatékonyságát.

A probléma abban rejlik (és ezért nem pakoltunk tele minden hőtermelő eszközt ilyen generátorokkal), hogy a jelenleg erre a célra alkalmas félvezetők ritkaelem komponenseket tartalmaznak, és ezért nagyon drágák. A cikk apropóját adó kutatás viszont éppen ezen változtatna – olcsó anyaggal érné el a kívánt hatást.

Az elmúlt két évtizedben már számtalan kutatással értek el egyre magasabb érdemi együtthatókat, a rekordra 2014-ben került sor egyetlen ón-szelenid kristállyal, mely esetben a zT 3,1 volt. Ezzel viszont az volt probléma, hogy egyrészt csak nehezen lehet előállítani, másrészt roppant törékeny, így a felhasználása sem egyszerű. Mivel ennek a gyakorlati alkalmazása szóba sem jött, a tudósok következő ötlete az volt, hogy fogják a könnyen rendelkezésre álló ón- és szelénport, amelyekből nem egyetlen kristályt állítanak elő, hanem polikristályos szemcsékké alakítják ezeket, ami már olcsó eljárás. A szemcséket aztán 3-5 centiméter rudakká formázzák, amit akár gépekbe is be lehet immár építeni.

Sajnos az elképzelés bár papíron jól festett, a realitástól azonban érkezett egy csattanós pofon: a rudak érdemi együtthatója 1,2-re zuhant. A megoldásra, tehát hogy mi a különbség az ón-szelenid kristály és ennek a polikristályos szemcsékké alakított formája közt, egészen 2016-ig kellett várni. Ekkor jöttek rá, hogy még mielőtt rudakat gyártanának a szemcsés anyagból, a szemcsék körül nagyon vékony Ón(II)-oxid (SnO) réteg jelenik meg, aminek segítségével nagyon gyorsan tud a hő terjedni az anyagon belül, vagyis éppen ellene hat annak a kritériumnak, hogy a hővezető-képesség minél alacsonyabb maradjon. Így jutunk el a mostani kutatáshoz, melynek lényege, hogy még a korai stádiumban felmelegítéssel megszabadítsák az anyagot az oxigéntől, hogy csak és kizárólag az ón-szelenid maradjon hátra. A kísérletet siker koronázta, az így nyert anyag érdemi együtthatója 3,1, annyi tehát, mint a kristályos változaté, viszont ez utóbbinál jóval könnyebb és olcsóbb az előállítása.

A kutatók pedig ezen a ponton igen bizakodóak: bár még hátravan pár lépés, a nem is olyan távoli jövőben megszülethet a nagy teljesítményű termoelektromos generátorok új generációja, amelyek a fosszilis tüzelőanyagok elégetésekor keletkezett felesleges hőnek akár a 65 százalékát is elektromos árammá képesek alakítani, és amelyeket aztán bárhová lehet telepíteni az ipari kohóktól kezdve egészen a háztartási vízmelegítő készülékekig.

(A cikkhez használt kép illusztráció, forrás: Flickr/Idaho National Laboratory)

További cikkek a témában:

Elkészült az eszköz, ami a testhőnkkel tölti a viselhető okoskütyüket A gyűrűméretű termoelektromos készülék folyamatos összeköttetésben áll testünkkel, és ígérete szerint száz százalékban hasznosítja testhőnk azon részét, ami egyébként elpárologna.

Speciális módon generálja az energiát a szén alapú csodaanyagból készült miniatűr reaktor Csak fogni kell egy részecskét, beletenni organikus oldatba és elkezd elektromos mezőt generálni, vezetékek nélkül - írják le a működési elvet az MIT tudósai.

Az elektronok különös viselkedése a magyarázat a napelemek alacsony teljesítményére A perovszkit napelemek olcsóak és hatékonyak, egy baj van csak velük: nem szeretik a napsütést. Egy teória már létezik rá, hogy miért is van ez így.