Ciepło, zimno... prąd

Ciepło, zimno... prąd
Autor: Andrzej Hołdys
("Polska Energia" - lipiec 2014)
Fantastyczny, zdumiewający – naukowcy są zachwyceni nowym materiałem, który być
może położy kres powszechnemu marnotrawstwu ciepła. Wytwarza on prąd z… różnicy
temperatur
Odkrycie opisał niedawno prestiżowy tygodnik „Nature”. Zanim jednak o nim, najpierw
przenieśmy się w niedaleką przeszłość. Jest 6 sierpnia 2012 r. W pobliżu marsjańskiego
równika ląduje na spadochronie pojazd Curiosity. W drogę wyruszył w listopadzie
poprzedniego roku. To największy z łazików zbudowanych przez NASA do badania
powierzchni Czerwonego Globu. Waży niemal tonę i ma 3 m długości oraz 2,2 m wysokości.
Jest dwa razy dłuższy i pięć razy cięższy niż dwa poprzednie wehikuły – Spirit i Opportunity,
które wysłano w 2003 r. Ważący 10 kg słynny pojazd Sojourner, który po Marsie jeździł w
1997 r. w ramach misji Mars Pathfinder, wyglądałby przy nim jak zabawka.
CURIOSITY NA MARSIE
Trzy tygodnie po wylądowaniu dla Curiosity nadeszła chwila prawdy. Najpierw dokonał
retransmisji na Ziemię piosenki „Reach for the Stars” odśpiewanej chwilę wcześniej w
ośrodku NASA Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w Kalifornii, a następnie wyruszył w
swoją dziewiczą podróż po Marsie. Zmierzał na wschód. Nie śpieszył się. W końcu nie jest
rajdowym samochodem, lecz ruchomym laboratorium naukowym na sześciu kółkach. Nie
szuka sławy, bo tę zyskał jeszcze przed wylądowaniem, lecz śladów życia. Poznaje budowę
geologiczną planety, bada jej gleby, skały i atmosferę. Od prawie dwóch lat Curiosity dźwiga
na sobie dziesięć ciężkich instrumentów badawczych, w tym działko laserowe zespolone ze
spektrometrem potrafiące na odległość przeprowadzać analizy składu chemicznego skał. Na
jego wyposażeniu znajduje się też wysięgnik z kamerą pokazującą glob z wysokości ludzkich
oczu, niczym w Google Street View. Jest też wiertło do drążenia dziur w marsjańskiej glebie
oraz potężne ramię zbierające próbki gleby i skał.
Jednej rzeczy Curiosity jednak nie ma - ogniw słonecznych, które wprawiałyby go w ruch i
dostarczały prądu całej aparaturze, którą mozolnie przewozi. Skąd zatem czerpie energię?
Źródłem prądu jest nuklearny generator termoelektryczny W jego wnętrzu znajduje się 4,8 kg
promieniotwórczego plutonu Pu-238. Podczas jego rozpadu uwalnia się ciepło. Podgrzewa
ono czułą aparaturę pomiarową, która inaczej zamarzłaby na zimnej planecie. Średnia
temperatura na Marsie wynosi minus 60°C Część tego ciepła jest zamieniana na prąd
elektryczny dzięki zjawisku, które odkryto prawie dwa wieki temu.
ODKRYCIE ZJAWISKA TERMOELEKTRYCZNOŚCI
Zostawmy teraz Curiosity na Marsie, powróćmy na Ziemię i cofnijmy się w czasie, ale tym
razem prawie o dwa stulecia. W latach 20. XIX w. niemiecki badacz Thomas Johann Seebeck
złączył ze sobą dwa druciki wykonane z różnych metali. Jedno ze złączy ogrzewał, drugie
ochładzał. Gdy nieoczekiwanie igła położonej obok busoli wychyliła się, naukowiec uznał, że
stworzył nowy rodzaj magnesu. Potem okazało się jednak, że w obwodzie popłynął prąd
elektryczny. Dzięki różnicy temperatur!
Tak odkryte zostało zjawisko termoelektryczności, które wykorzystali twórcy generatora
znajdującego się na Curiosity. Podczas gdy jedno ze złączy jest podgrzewane przez pluton,
drugie ma taką temperaturę, jaka panuje na Marsie. Z tej różnicy powstaje prąd, który
napędza wehikuł i wszystkie znajdujące się na nim urządzenia. Plutonu wystarczy co najmniej
na 14 lat, więc Curiosity, którego misję zaplanowano na 23 miesiące, może jeszcze długo
potem wysyłać dane na Ziemię.
Zjawiskiem termoelektryczności długo się nie interesowano. Zaczęło być ponownie
odkrywane, gdy uświadomiliśmy sobie, że zasoby surowców paliwowych wcześniej czy
później się wyczerpią, więc dobrze byłoby zacząć oszczędzać energię. Wokół nas marnuje się
mnóstwo ciepła wytwarzanego podczas produkcji, przesyłania i zużywania prądu. Pół wieku
temu nikt się tym specjalnie nie przejmował. Dziś jest inaczej. Na marnotrawstwo nie stać
nikogo, także z powodów ekonomicznych.
W POSZUKIWANIU TERMICZNYCH GENERATORÓW PRĄDU
Agencje kosmiczne jako pierwsze sięgnęły po termiczne generatory prądu - nie po to jednak,
żeby oszczędzać energię, lecz by ją w ogóle uzyskać. Urządzenia umieszczono na
dziesiątkach satelitów i sond. To dzięki nim Voyagery, wystrzelone w 1977 r. i zmierzające
ku krańcom Układu Słonecznego, wciąż nadają komunikaty na Ziemię. Termoelektryczne
zasilanie miały międzyplanetarne sondy Galileo i Cassini, marsjańskie próbniki Viking, a
także instrumenty pomiarowe ustawione na Księżycu przez misję Apollo. Równie chętnie
korzystali z tego patentu Rosjanie.
Na pojazdach kosmicznych ciepło pochodziło z rozpadu radioizotopów. Jednak termicznemu
generatorowi jest obojętne, co je podgrzewa. Równie dobrze źródłem ciepła mogą być…
spaliny wylatujące z rury wydechowej. Energia powstająca w silniku samochodowym w
wyniku spalania paliwa jest w dwóch trzecich marnowana. Ucieka jako ciepło. Straty
rozkładają się mniej więcej po równo na silnik i spaliny. Gdyby choć część tego uciekającego
ciepła wykorzystać ponownie do wyprodukowania prądu, wówczas można by nim zasilić
urządzenia elektryczne w samochodzie i w ten sposób ograniczyć zużycie paliwa.
Już dwie dekady temu do takiego wniosku doszli inżynierowie z Porsche, a potem ich koledzy
z BMW, Nissana i General Motors. Próbowali, testowali, ale wciąż brakowało
najważniejszego: odpowiednich materiałów przewodzących, z których można by zbudować
termoelektryczny generator. Okazało się, że odpowiedni materiał niełatwo jest uzyskać. Musi
on bowiem sprostać różnicy temperatur rzędu kilkuset stopni (spaliny mają 600-700°C), być
sprawny, lekki, wytrzymały, nietoksyczny, no i względnie tani.
Skąd taki wziąć? Koncerny samochodowe zwróciły się do kreatywnych chemików. Nad
materiałami, które z rozgrzanych spalin uczyniłyby źródło prądu, pracuje na świecie kilka
zespołów naukowych. Celem jest opracowanie termoelektrycznych syntetyków osiągających
sprawność 20 proc, czyli cztery razy lepszą od obecnie znanych. Wówczas alternator stałby
się zbędnym elementem samochodu. Prąd zasilający systemy i urządzenia elektryczne
pojazdu powstawałby w całości dzięki wykorzystaniu zjawiska Seebecka. W skali globu
oszczędność paliwa byłaby olbrzymia. Na taki przełom trzeba będzie jeszcze trochę poczekać,
ale może krócej, niż nam się wydaje. Dwa lata temu, gdy Curiosity wyruszał na pierwsze
wycieczki po Marsie, chemicy z dwóch amerykańskich uczelni - Northwestern University i
Michigan State University - pod wodzą Mercouriego Kanatzidisa ogłosili, że na bazie
pierwiastka telluru udało im się stworzyć nowy materiał, który w laboratorium wykazał się
sprawnością przekraczającą 15 proc. Tak został zrobiony pierwszy krok ku erze samochodów
wyposażonych w generatory termoelektryczności.
KONIEC Z UCIEKAJĄCYM CIEPŁEM?
Te rezultaty mogą się okazać przełomowe nie tylko w przemyśle samochodowym. Wszakże
konwencjonalne elektrownie lekką ręką oddają prawie dwie trzecie energii cieplnej, którą
wytwarzają. Zaledwie 30-40 proc. jest zamieniana na prąd. Reszta ucieka w powietrze. Ciepło
marnują też elektrownie słoneczne, na razie nieliczne, ale będzie ich przybywało. Wyobraźmy
sobie teraz, że we wszystkich tych fabrykach stawiamy generatory termoelektryczne. Nagle
okazałoby się, że energii mamy w bród, a emisja gazów cieplarnianych jest mniejsza o jedną
czwartą. A przecież są jeszcze huty, rafinerie, cementownie, a także grzejące się komputery i
telefony komórkowe. Drugi krok w tym kierunku Kanatzidis i jego współpracownicy
wykonali parę tygodni temu. Na łamach renomowanego czasopisma naukowego „Nature”
poinformowali o znalezieniu tańszego i bardziej wydajnego zamiennika telluru. Ich wybór
padł na selenek cyny. Kryształy tego półprzewodnika mogą być wręcz idealnymi izolatorami
cieplnymi. - Gdy jedna strona się mocno nagrzewa, druga pozostaje chłodna. To pozwala
wyprodukować prąd z nieosiągalną wcześniej efektywnością. Jeśli dodamy do tego, że
selenek cyny ma prostą budowę i jest tani w produkcji, łatwo dojść do wniosku, że jesteśmy o
krok od wielkiego przełomu technologicznego - prognozuje Kanatzidis. Czy to oznacza
koniec z uciekającym donikąd ciepłem?