Odpadové teplo zo serverov a elektromobilov môže čoskoro vyrábať dodatočnú elektrinu

 

KĽÚČOVÉ ZISTENIA:

• Vedci vyvinuli duté kremíkové nanorúrky, ktoré dokážu premeniť prebytočné teplo z elektroniky na využiteľnú elektrickú energiu.

• Navrhnutá štruktúra znižuje tepelnú vodivosť až o 70 % v porovnaní s pevnými polovodičovými drôtmi podobných rozmerov.

• Využitie široko dostupného kremíka namiesto vzácnych prvkov znižuje výrobné náklady a stabilizuje priemyselné dodávateľské reťazce.

Prevádzka dátových centier, batérií v elektromobiloch a priemyselných fabrík neustále produkuje množstvo odpadového tepla, ktoré bez úžitku uniká do ovzdušia. Výskumný tím z Juhokórejskej univerzity vedy a technológie POSTECH vyvinul spôsob, ako tento narastajúci energetický problém riešiť.

Pod odborným vedením profesora Chang-Ki Baeka a doktoranda Ki Yeong Kima navrhli inžinieri štruktúru dutých kremíkových nanorúrok. Táto nová technológia zvyšuje celkovú účinnosť termoelektrických článkov, ktoré primárne vyrábajú elektrinu priamo na základe fyzikálneho rozdielu teplôt v danom materiáli.

Tradičné komerčné termoelektrické materiály sa doteraz vždy spoliehali na drahé kovy, ako sú najmä bizmut a telúr, ktoré čelia nestabilným globálnym dodávateľským reťazcom. Kremík je naproti tomu lacný a dostupný materiál, ktorý v podstate tvorí základný stavebný kameň celého súčasného polovodičového priemyslu.

Problémom pri ňom však bolo, že pri zmenšovaní rozmerov štruktúr klesá ich tepelná vodivosť, no zároveň sa zhoršuje aj požadovaná elektrická vodivosť. Kľúčom k úspechu bolo vytvorenie dutého vnútra, vďaka čomu sa tieto nanorúrky vizuálne podobajú na miniatúrne potrubia s odlišnými fyzikálnymi vlastnosťami.

Laboratórne merania ukázali, že tieto duté nanorúrky majú až o 70 % nižšiu tepelnú vodivosť ako porovnateľné klasické pevné polovodičové drôty z čistého kremíka. Pri kontrolovanej úprave a precíznom vyrovnaní pomeru ich povrchovej plochy vykazovali duté nanorúrky pri testovaní stále o 33 % nižší celkový prenos tepla. Tento pozorovateľný efekt je vedecky spôsobený fyzikálnym javom známym v mechanike ako lokalizácia fónonov v štruktúre materiálu.

Fónony sú v podstate mikročastice vibračnej energie prenášajúce teplo, no v dutom prostredí zostávajú zablokované v ohraničených oblastiach a priestorom sa šíria pomalšie. Predchádzajúce vedecké štúdie dlho predpokladali, že tento jav sa dá v praxi dosiahnuť iba pri teplotách blízkych absolútnej nule.

Juhokórejským vedcom sa však podarilo úspešne preukázať jeho fungovanie v pomerne jednoduchej kremíkovej štruktúre už pri bežnej izbovej teplote prostredia. Integrácia týchto nanorúrok do existujúcich komerčných čipov nevyžaduje nákup nových strojov, keďže je kompatibilná so zabehnutými a štandardnými výrobnými procesmi pre polovodiče.

Praktické možnosti využitia tejto technológie sú široké a zahŕňajú viaceré odvetvia moderného priemyslu, ktoré sú silne závislé od elektrickej energie. V dátových centrách pre systémy umelej inteligencie pomôžu tieto termoelektrické články efektívne zachytávať teplo zo serverov a znižovať tak prevádzkové náklady na chladenie. Pri moderných elektrických vozidlách môže spätné získavanie tepla z bežiacich motorov a zahriatych batérií badateľne predĺžiť ich celkový dojazd. 

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ: Premena odpadového tepla na elektrinu pomocou kremíka pomôže znížiť spotrebu energie v dátových centrách a predĺži dojazd elektromobilov bez vzácnych kovov.

Zdroj: interestingengineering.com foto: ChatGPT