Jauni Materiāli Pārvērš Siltumu Elektrībā

{h1}

Pētnieki ir izstrādājuši jaunu materiālu, kas aukstā laikā nav nemagnētisks, bet augstā temperatūrā ir spēcīgs magnēts. Šādus materiālus potenciāli var izmantot, lai palīdzētu radīt enerģiju.

Šis raksts Aiz ainas tika piegādāts WordsSideKick.com sadarbībā ar Nacionālo zinātnes fondu.

Lielākā daļa mūsdienu elektrostaciju - sākot ar dažām no lielākajām saules masīvām un beidzot ar kodolenerģijas objektiem - enerģijas iegūšanai paļaujas uz ūdens viršanu un kondensāciju.

Karstā ūdens pārvēršanas enerģijā procesu 1765. gadā būtībā saprata Džeimss Vats. Karstums no saules vai no kontrolētas kodolreakcijas vārās ūdeni, kas pēc tam izplešas, pārvieto turbīnu un rada enerģiju.

Kāpēc ūdens? Tas ir lēts; tas absorbē daudz "latentā siltuma", jo tas pārvēršas tvaikā; tas rada daudz enerģijas, paplašinoties caur turbīnu; un tas tiek viegli kondensēts atpakaļ šķidrā ūdenī, izmantojot vides avotu, piemēram, upi.

Siltums līdz elektrībai

Sākot ar Nikolā Leonarda Sadi Karnota fundamentālajiem pētījumiem 1824. gadā, inženieri ir iemācījušies, kā manipulēt ar ūdens viršanu un kondensāciju, izmantojot šo "fāzes pārveidi" starp šķidrumu un gāzi, lai iegūtu elektrību.

Pievienojot ūdenim siltumu pareizajā cikla punktā un novēršot siltuma apmaiņu citos cikla punktos, pētnieki galu galā iegūst no tvaika visvairāk enerģijas. Tādā veidā viņi rūpīgi izstrādāja ciklu, lai maksimāli palielinātu tā efektivitāti, matemātisku koncepciju, kuru Karnode definēja.

"Šai ūdens vārīšanai un kondensācijai ir nepieciešami masīvi spiedtvertnes un siltummaiņi, kas satur ūdeni," sacīja Minesotas Universitātes pētnieks Ričards Džeimss.

Džeimss un viņa pētnieku komanda vēlas aizstāt pilnīgi atšķirīgu fāzu pārveidošanu, lai aizstātu ūdens vārīšanos un kondensāciju. Viņi ir izpētījuši šo iespēju, izmantojot metāla sakausējumu saimi (īpašus dažādu elementu maisījumus), ko sauc par "multiferroiskiem materiāliem".

Multiferriski materiāli

Multiferriski materiāli ir materiāli, kuriem piemīt vismaz divas no trim "dzelzs" īpašībām: feromagnētisms (piemēram, dzelzs magnēts, spontāni magnetizēts), ferroelektriskums (spontāni attīstot divus polus) vai ferroelastīgums (spontāni sasprindzināts). Dabisks veids, kā parādīt feroelastību, ir fāzes transformācija, kurā viena kristāla struktūra pēkšņi izkropļojas citā, tā sauktā martensitiskā fāzes transformācija.

Tā vietā, lai ūdens tvaicētu, Džeimsa komandas ideja ir izmantot martensīta fāzes pārveidi, kas dabiski notiek dažos no šiem multiferroiskajiem materiāliem. Izmantojot matemātisko teoriju martensīta fāzes pārvērtībām, kas izstrādāta ar Nacionālā zinātnes fonda finansējumu, pētnieki atklāja veidu, kā sistemātiski noregulēt multiferro materiālu sastāvu, lai varētu ieslēgt un izslēgt fāžu pārvērtības.

Parasti metāla spēju mainīt tādas fāzes apgrūtina raksturlielums, ko sauc par "histerēzi", tas ir, cik ilgs laiks nepieciešams, lai metāla magnētisms panāktu fāžu maiņu. Ja tas prasa pārāk ilgu laiku, tas kavē metāla spēju pārslēgt fāzes uz priekšu un atpakaļ.

Attīstības sakausējumi

"Galvenā ideja ir manipulēt ar sakausējuma sastāvu, lai abas kristāla struktūras lieliski saderētu kopā," sacīja Džeimss. "Kad tas ir izdarīts, fāzes transformācijas histerēze dramatiski samazinās un tā kļūst ļoti atgriezeniska."

Pat pēc tam, kad sāka parādīties pirmie zemie histerēzes sakausējumi, visa stratēģija balstījās uz teoriju. "Lai būtu pārliecība, ka histerēze samazinājās paredzētā iemesla dēļ, bija svarīgi, lai mēs faktiski redzētu perfektus saskarnes noregulētos sakausējumos," sacīja Džeimss.

Šim nolūkam Džeimss sadarbojās ar Niku Šrīversu no Antverpenes Universitātes Beļģijas Universitātes Materiālu zinātnes laboratorijas elektronu mikroskopijas laboratorijas, kas ir slavenais centrs fāzu transformāciju izpētei, izmantojot elektronu mikroskopiju. Rezultātā iegūtais pētījums, ko veica Šrīvers un Antverpenes Universitātes absolvents Remi Delvilla, atklāja perfekti saskanīgas saskarnes starp abām fāzēm.

Heuslera sakausējumi

Pētnieki īstenoja šo koncepciju sakausējumu ģimenē, ko sauc par Heuslera sakausējumiem, kuri ir magnētiski, kaut arī metālu, kas tos veido, nav. Nosaukts vācu kalnrūpniecības inženierim Frīdriham Heusleram, kurš pirmo reizi pamanīja, ka Cu2MnSn (vara-mangāna-alva) ir magnētisks, kaut arī atsevišķi elementi Cu, Mn un Sn nav nemagnētiski, šai sakausējumu saimei ir pārsteidzoša tieksme uzrādīt magnētismu. Kā Džeimss atzīmē, Heuslers ir noslogots arī ar martensīta fāzes pārvērtībām.

Strādājot Džeimsa grupā, pēcdoktorantūras students Vijay Srivastava pielietoja zemas histerēzes sasniegšanas stratēģiju, sistemātiski mainot Heusler pamata sakausējuma Ni sastāvu2MnSn un ierodas Ni45Co5Mn40Sn10.

"Ni45Co5Mn40Sn10 ir ievērojams sakausējums, "sacīja Džeimss." Zemas temperatūras fāze nav nemagnētiska, bet augstas temperatūras fāze ir spēcīgs magnēts, gandrīz tikpat spēcīgs kā dzelzs tajā pašā temperatūrā. "Pētnieki uzreiz saprata, ka šāds sakausējums var darboties kā fāze. - ūdens pāreja elektrostacijā.

"Ja jūs ieskaujat sakausējumu ar nelielu spoli un sildāt to, izmantojot fāzes pārveidošanu, pēkšņi mainīgā magnetizācija inducē strāvu spolē," sacīja Džeimss. "Procesa laikā sakausējums absorbē latentu siltumu. Tas siltumu pārvērš tieši elektrībā."

Revolucionāras spēkstacijas

Sekas tehnoloģijai var būt tālejošas. Elektrostacijā nevajadzēs masīvos spiedtvertnes, cauruļvadus un siltummaiņus, ko izmanto ūdens pārvadāšanai un sildīšanai. Tā kā pārveidošanas temperatūru var regulēt plašā diapazonā, šī koncepcija ir pielāgojama daudziem siltuma avotiem, kas tiek uzglabāti uz zemes ar nelielām temperatūras atšķirībām.

"Var pat sapņot par temperatūras starpības izmantošanu starp okeāna virsmu un dažiem simtiem metru uz leju," sacīja Džeimss.

Kopā ar Minesotas universitātes profesoru Kristoferu Leightonu pētnieki pēta arī iespēju izgatavot no savām ierīcēm plānas plēves versijas. Tie varētu strādāt datoros, tieši pie mikroshēmas, lai pārvērstu atkritumu siltumu elektrībā, lai uzlādētu akumulatoru.

Džeimss uzsver, ka viņu demonstrācija ir tikai viens no daudzajiem veidiem, kā enerģijas pārvēršanai var izmantot martensīta fāzes pārvērtības.

"Papildus magnētismam ir arī daudzas fizikālās īpašības, kas var būt atšķirīgas divās fāzēs un kuras varētu izmantot, lai ģenerētu elektrību no karstuma," sacīja Džeimss. "Bet kā attīstīt šīs koncepcijas, un kuras no tām darbosies vislabāk?"

"Pat" labākā "kritērijs nav skaidrs, jo nav jāmaksā par atkritumu siltumu," turpināja Džeimss. "Patiešām, no pamatprincipiem mums ir jāpārdomā enerģijas pārvēršanas termodinamika ar nelielu temperatūras starpību."

Redaktora piezīme: Šo pētījumu atbalstīja Nacionālais zinātnes fonds - federālā aģentūra, kuras uzdevums bija finansēt pamata pētījumus un izglītību visās zinātnes un inženierzinātnes jomās. Visi viedokļi, secinājumi un secinājumi vai ieteikumi, kas izteikti šajā materiālā, ir autora viedoklis, un tie ne vienmēr atspoguļo Nacionālā zinātnes fonda uzskatus. Skatiet aizkulišu arhīvu.


Video Papildinājums: .




Pētniecība


Kā Notiek Līkuma Bumbiņas Līkne?
Kā Notiek Līkuma Bumbiņas Līkne?

Tūkstošgades Sevi Redz Arī Kā Narcistiskus (Un Tas Viņus Arī Traucē)
Tūkstošgades Sevi Redz Arī Kā Narcistiskus (Un Tas Viņus Arī Traucē)

Zinātne Ziņas


Surogātpasta Oglekļa Nospiedums (E-Pasts, Nevis Gaļa)
Surogātpasta Oglekļa Nospiedums (E-Pasts, Nevis Gaļa)

1986. Gada Aļaskas Nlo
1986. Gada Aļaskas Nlo

Kas Ir Raugs?
Kas Ir Raugs?

Aizmirstiet Gps: Viduslaiku Kompasu Vadīti Vikingi Pēc Saulrieta
Aizmirstiet Gps: Viduslaiku Kompasu Vadīti Vikingi Pēc Saulrieta

Zīdaiņu Zēnu Vēlīnās Valodas Prasmes, Kas Saistītas Ar Testosteronu
Zīdaiņu Zēnu Vēlīnās Valodas Prasmes, Kas Saistītas Ar Testosteronu


LV.WordsSideKick.com
Visas Tiesības Aizsargātas!
Pavairošana Materiālu Atļauts Tikai Prostanovkoy Aktīvu Saiti Uz Vietni LV.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LV.WordsSideKick.com