Użytkując wszelkie gadżety elektroniczne doskonale zdajemy sobie sprawę, że zużywają one energię. Jednak nie cała ilość pobranej energii wykorzystywana jest przez samo urządzenie. Część tracona jest w postaci ciepła lub tarcia. Pozbycie się nadmiaru ciepła (np. poprzez systemy chłodzące) decyduje o utrzymaniu zadowalającego poziomu efektywności pracy urządzenia. Zwykle odbywa się to na zasadzie marnowania odbieranego ciepła, które oddawane jest do otoczenia. Aby w pełni wykorzystać dostępną energię, ludzie nauki zaczęli zastanawiać się nad możliwością zastosowania energii odpadowej do celów użytkowych.

Reklama

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology na czele z profesorem Peterem Hagelsteinem kilka lat temu rozpoczęli badania nad wykorzystaniem ciepła odpadowego do zasilania urządzeń  takich jak laptopy i telefony komórkowe. Założeniem było takie zastosowanie emitowanej przez nie energii cieplnej, aby wydłużyć czas działania tych urządzeń bez konieczności podłączania do ładowarek. Następnie pojawiła się koncepcja wykorzystywania energii ciepła odpadowego w elektrowniach, gdzie jej ogromne ilości są emitowane do otoczenia. Wykorzystanie tych pokładów znacznie zmniejsza koszt wytworzenia jednostki energii.

Zdaniem profesora Hagelsteina ​​obecne urządzenia półprzewodnikowe, które wykorzystują ciepło wytwarzane w nadmiarze i przekształcają je w energię elektryczną nie są zbyt wydajne. Podczas badań prowadzonych razem ze studentem Dennisem Wu, w ramach jego pracy doktorskiej, na temat praktycznych zastosowań konwertera energii cieplnej na elektryczną, naukowcy dążyli do ulepszenia poprzedniego modelu urządzenia. Celem badań było znalezienie realistycznej technologii, która pozwoliłaby osiągnąć teoretyczny limit efektywności takiej konwersji.

Czemu teoretyczny? Dlatego, że tylko teoria zakłada, iż maksymalna wartość sprawności zamiany ciepła na energię elektryczną znajduje się w punkcie zwanym Carnot Limit. Limit ten został wyliczony w XIX wieku i ustala najwyższą wydajność, jaką każda maszyna może osiągnąć w konwersji ciepła podczas pracy. Jednak w praktyce nie udało się osiągnąć takiej wartości. To co osiągnięto do czasu opisywanych badań stanowiło zaledwie 10 proc. teoretycznie możliwej do uzyskania wartości. Dzięki technologii opracowanej przez naukowców na czele z profesorem Hagelstein,  udało się osiągnąć znakomitą wydajność dochodzącą nawet do 40 procent wartości Carnot Limit. Co więcej, ich statystyki wykazują, że ten nowy rodzaj systemu może ostatecznie osiągnąć aż 90 procent tego pułapu.

Profesor Hagelstein twierdzi, że znana wcześniej technologia umożliwiała albo uzyskanie wysokiej sprawności, albo przepustowości. Wybór konkretnego sposobu był swego rodzaju kompromisem. Jednak zespół badawczy profesora odkrył, że za pomocą ich nowego systemu, możliwe stało się, aby połączyć obie cechy urządzenia. Przeprowadzane eksperymenty nie polegały jednak na udoskonalaniu już istniejących urządzeń, ale naukowcy postanowili zacząć od nowa, by nie popełniać błędów przeszłych pokoleń. Wykorzystali bardzo prosty sposób, który zakładał wyprodukowanie energii przez półprzewodnikowe kropki kwantowe. Na podstawie ich działania badacze starali się zrozumieć wszystkie funkcje urządzenia, aby móc pracować nad nowym. Nie chodziło im bowiem o zwykłą zamianę ciepła w energię elektryczną, chcieli dzięki temu uzyskać dużą ilość tej energii ograniczając wydzielanie ciepła.

Hagelstein i jego zespół pracowali nad zmniejszeniem luki między gorącą powierzchnią i urządzeniem do konwersji. Zasugerowali, że taki układ, jest bardzo istotny dla poprawy wydajności. Wymiana ciepła może odbywać się pomiędzy bardzo blisko siebie położonymi powierzchniami z prędkością, która jest o rzędy wielkości wyższa niż przewidywana przez teorię. Jak się okazało, ciepło to może być nie tylko przenoszone pomiędzy powierzchniami, ale również przetworzone w energię elektryczną! Profesor Hagelstein uważa, że energia odpadowa jest kopalnią złota, jeśli tylko potrafimy to ciepło przetworzyć. Dużo energii tracone jest podczas samego transportu z miejsca w miejsce, a kiedy istnieje możliwość jego przechwycenia, proces konwersji na energię elektryczną nie stanowi problemu.

Mamy nadzieję, że już niedługo ktoś zajmie się skomercjalizowaniem tego patentu, a wszystkie urządzenia typu smart będzie można użytkować chociaż o połowę dłużej bez konieczności podpinania do ładowarki. Znacznie wpłynęłoby to na komfort użytkowania zwłaszcza telefonów komórkowych z panelem dotykowym.