Tepelný „lapač“ dovede převést odpadní teplo z chladniček a dalších spotřebičů na elektřinu

Chladničky, kotle i žárovky neustále vyzařují do svého okolí vedlejší teplo. Toto „odpadní teplo“ by mohlo (teoreticky) být převedeno na elektřinu, jak se to už někdy dělá u elektráren, automobilových motorů a dalších větších zdrojů tepla. Problém je, že zdroje „menšího tepla“ vydávají příliš málo, než aby současná technika dokázala provést jeho převedení (konverzi). Nedávno vědci vyvinuli zařízení, které používá kapalinu k efektivní konverzi vedlejšího (odpadního) tepla na elektřinu. Jednoho dne tak možná budou fungovat zařízení zachycující energii, která rozsvítí senzory a světla, a také budou umět nabíjet baterie.

 „To je pěkná práce a velmi chytrý nápad,“ říká Ping Liu, nanoinženýr z Kalifornské univerzity v San Diegu, který se ale studie neúčastnil.

Vědci vědí už téměř dvě staletí, že určité materiály dokážou převádět teplo na elektřinu, a dnes jsou tyto materiály předmětem výzkumu pro použití jako další zdroj energie pro hybridní vozidla. Klíčem k úspěšné konverzi energie je nalezení materiálů, které dobře vedou elektrony, ale ne teplo, aby se udržel teplotní rozdíl mezi oběma stranami elektrody. Ty, které jsme doposud znali, jsou drahé, a přitom fungují nejlépe, když teplotní rozdíl mezi horkou a studenou stranou je stovky stupňů Celsia. Pro zdroje vedlejšího tepla, jako jsou chladničky, jsou tedy nepoužitelné.

Kvůli tomuto problému se fyzik Jun Zhou a jeho kolegové z Univerzity vědy a techniky Huazhong obrátili k termočlánkům. Ty používají kapalinu místo pevných materiálů pro vedení elektrického náboje z horké strany na chladnou. Nečiní tak ale prostřednictvím míchání elektronů, ale přesouváním nabitých molekul či iontů. Termočlánky dokážou dobře převádět menší teplotní rozdíly na elektřinu, ale typicky produkují pouze velmi slabý proud. Důvodem částečně je, že ionty jsou pomalejší než elektrony. Ionty také přenášejí teplo skrz materiál (na rozdíl od elektronů), čímž redukují teplotní rozdíl mezi dvěma stranami a snižují efektivnost konverze.

Zhou a jeho kolegové začali s malým termočlánkem: komora o velikosti kostky domina s elektrodami nahoře a dole. Spodní elektroda stála na horké plotýnce a horní elektroda přiléhala k chladicímu zařízení, přičemž byl udržován teplotní rozdíl 50 °C mezi dvěma elektrodami. Pak naplnili komoru iontově nabitou tekutinou nazývanou ferrikyanid.

Předchozí výzkum ukázal, že ionty ferrikyanidu u horké elektrody spontánně uvolní elektron s nábojem, tj. Fe(CN)6–4  , který se změní na ferrikyanid s nábojem –3, tj. Fe(CN)6–3. Elektrony se pak pohybují po vnějším obvodu směrem ke chladné elektrodě, přičemž mohou pohánět malá zařízení. Jakmile se dostanou k chladné elektrodě, elektrony se spojí s ionty Fe(CN)6–3 , které se rozptýlily zespodu. Tím se znovu vytvoří ionty Fe(CN)6–4, které se pak rozptýlí zpět směrem dolů k horké elektrodě – a cyklus se opakuje.

Aby redukovali teplo přenášené pohybujícími se ionty, Zhou a jeho kolegové vylepšili ferrikyanid kladně nabitou organickou složkou zvanou guanidin. U chladné elektrody způsobí guanidin, že chladné ionty Fe(CN)6–4 krystalizují na maličké pevné částice. Pevné částice mají nižší vodivost tepla než kapaliny, proto blokují část tepla proudícího od horké k chladné elektrodě. Gravitace pak přitáhne krystalky k horké elektrodě, kde je větší teplo promění zpět v kapalinu. Tímto způsobem při pokusu pevné částice pomohly udržet teplotní gradient mezi oběma elektrodami.

A fungovalo to. Termočlánek generoval pětkrát tolik energie na stejné pole elektrody než předchozí verze, jak sdělil Zhou s kolegy ve zprávě pro časopis Science. Také je to více jak dvojnásobná efektivita, než jaká je potřebná pro vytvoření funkčního komerčního zařízení. Modul o velikosti brožury s 20 termočlánky dokázal napájet osvětlení LED, pohánět ventilátor a nabít mobilní telefon, jak tým zjistil.

 „To ukazuje, že je možné zlepšit výkon těchto zařízení na velmi slušnou úroveň,“ říká Gang Chen, strojní inženýr z Massachusettského technologického institutu, který se však výzkumu neúčastnil. Ještě se uvidí, zda to bude stačit, aby měla technologie komerční úspěch. Jak říká: „Menší odpadní teplo je všude kolem. Ale jeho sběr stojí peníze.“

Další krok k pohánění zařízení v praxi znamená objevit a použít další nenákladné materiály, které absorbují co nejvíce odpadního tepla z požadovaných zdrojů, a přitom vynechají zbytek okolního prostředí. To je úkol, na němž Zhou podle svých slov už pracuje. Až uspějí, možná brzy budeme moct pohánět nejrůznější malé zařízení a spotřebiče pomocí tepla, které je všude kolem.