في خطوة علمية بارزة نحو تعزيز كفاءة الطاقة والاستدامة البيئية، نجح فريق بحثي من اليابان في تطوير تقنية مبتكرة لتحويل الحرارة إلى كهرباء باستخدام مادة ثنائي سيليكون التنغستن (WSi₂).
يقدم هذا الاكتشاف آفاقًا جديدة في استخدام المواد الحرارية الكهربائية لتقليل هدر الطاقة، خاصة في الصناعات والمركبات، حيث تُهدر كميات كبيرة من الحرارة دون الاستفادة منها.
دور المواد الحرارية الكهربائية في تحسين كفاءة الطاقة
تعد المواد الحرارية الكهربائية من أبرز الأدوات المستخدمة لتحويل الحرارة المهدرة إلى طاقة قابلة للاستخدام.
يوفر هذا النوع من المواد حلًا عمليًا لتقليل الهدر، خاصة في التطبيقات التي تُنتج فيها المحركات الصناعية والسيارات كميات هائلة من الحرارة.
بالإضافة إلى ذلك، تُعد هذه المواد خيارًا واعدًا لتطبيقات الطاقة المحمولة مثل أجهزة الاستشعار عن بعد والأقمار الصناعية، حيث تكون مصادر الطاقة التقليدية غير متاحة أو غير فعالة.
الأجهزة الحرارية الكهربائية التقليدية
تعمل الأجهزة الحرارية الكهربائية التقليدية من خلال توليد الجهد في اتجاه موازي لتدفق الحرارة.
وعلى الرغم من فعاليتها، إلا أنها تتطلب تكوينات معقدة تزيد من المقاومة الكهربائية وفقدان الطاقة، بينما تتميز الأجهزة الحرارية الكهربائية المستعرضة بإنتاج الكهرباء بشكل عمودي على تدفق الحرارة، مما يقلل من عدد نقاط الاتصال ويحسن كفاءة تحويل الطاقة.
وتُعد المواد ذات “قطبية التوصيل المعتمدة على المحور” (ADCP) من الحلول الواعدة في هذا المجال، حيث تُظهر قدرة على نقل الشحنات الموجبة والسالبة في اتجاهات مختلفة، ما يجعلها مثالية للأجهزة المستعرضة.
إنجاز علمي في استخدام ثنائي سيليكون التنغستن
حقق فريق بحثي بقيادة الأستاذ ريوجي أوكازاكي من جامعة طوكيو للعلوم إنجازًا كبيرًا في مجال الأجهزة الحرارية الكهربائية المستعرضة باستخدام مادة WSi₂.
أثبت الباحثون وجود تأثير كهروحراري مستعرض (TTE) في هذه المادة، وهو ما يمثل أول عرض مباشر لهذه الظاهرة، ويُعد هذا الاكتشاف خطوة هامة نحو تطوير أجهزة أكثر كفاءة قادرة على التقاط الحرارة المهدرة وتحويلها إلى طاقة كهربائية.
تحليل الخصائص الحرارية والكهربائية للمادة
قام الفريق البحثي بتحليل خصائص مادة WSi₂ من خلال قياسات دقيقة للطاقة الحرارية والمقاومة الكهربائية والتوصيل الحراري عند درجات حرارة منخفضة.
أظهرت النتائج أن البنية الإلكترونية الفريدة للمادة هي السبب الرئيسي وراء قدرتها على تحقيق التحويل الكهروحراري المستعرض.
وتعتمد هذه البنية على أسطح “فيرمي” مختلطة الأبعاد، حيث تتحرك الإلكترونات والثقوب في أبعاد مختلفة، مما يخلق موصلية محددة الاتجاه.
تطبيقات مستقبلية واعدة
من خلال هذا الاكتشاف، يمكن أن تلعب مادة WSi₂ دورًا حيويًا في تطوير أجهزة استشعار حرارية جديدة، وأجهزة أخرى قادرة على تحقيق كفاءة طاقة أعلى في العديد من الصناعات.
ويأمل الفريق البحثي أن يسهم هذا الإنجاز في تقديم حلول مبتكرة لتقليل هدر الطاقة وتطوير مواد جديدة لتحويل الحرارة إلى كهرباء بفعالية أكبر.
المصدر:
