Nye Materialer Omdanner Varme Til El

{h1}

Forskere har udviklet et nyt materiale, der når det er koldt er ikke-magnetisk, men ved høje temperaturer er en stærk magnet. Sådanne materialer kunne potentielt bruges til at generere strøm.

Dette bag scenerne blev leveret til WordsSideKick.com i samarbejde med National Science Foundation.

De fleste af nutidens kraftværker - fra nogle af de største solarrayer til atomkraftværker - er afhængige af kogning og kondensering af vand for at producere energi.

Processen med at omdanne opvarmet vand til energi blev i det væsentlige forstået af James Watt hele vejen tilbage i 1765. Varme fra solen eller fra en kontrolleret nuklear reaktion koger vand, som derefter udvider, bevæger en turbine og genererer strøm.

Hvorfor vand? Det er billigt; det absorberer en masse "latent varme", da det bliver til damp; det producerer en masse magt, da den udvider sig gennem turbinen; og det kondenseres let tilbage til flydende vand ved hjælp af en miljøkilde som en flod.

Varme til elektricitet

Begyndende fra grundforskningen fra Nicolas Leonard Sadi Carnot i 1824, har ingeniører lært at manipulere kogning og kondensering af vand ved hjælp af denne "faseomsætning" mellem væske og gas for at generere elektricitet.

Ved at tilføje varme til vandet på det rigtige punkt i cyklussen og forhindre varmeveksling på andre punkter i løbet af cyklussen gør det muligt for forskere i sidste ende at udtrække mest strøm fra dampen. På denne måde har de omhyggeligt designet cyklen for at maksimere effektiviteten, et matematisk koncept, som Carnot definerede.

"Denne kogning og kondensering af vand kræver massive trykbeholdere og varmevekslere til at indeholde vandet," sagde forsker Richard James, fra University of Minnesota.

James og hans team af forskere vil erstatte en helt anden fase transformation til at erstatte kogning og kondensering af vand. De har undersøgt denne mulighed ved hjælp af en familie af metallegeringer (specifikke blandinger af forskellige elementer) kaldet "multiferroiske materialer".

Multiferroiske materialer

Multiferroiske materialer er materialer, der udviser mindst to af tre "ferro" egenskaber: ferromagnetisme (som en jernmagnet, spontant magnetiseret), ferroelektricitet (spontant udvikling af to poler) eller ferroelasticitet (spontant anstrengt). En naturlig måde at udvise ferroelasticitet på er ved en faseomdannelse, hvor en krystalstruktur pludselig forvrider til en anden, en såkaldt martensitisk faseomdannelse.

I stedet for vand til damp er Jamess holds idé at bruge en martensitisk faseomdannelse, der forekommer naturligt i nogle af disse multiferroiske materialer. Ved hjælp af en matematisk teori for martensitiske fase transformationer udviklet med National Science Foundation finansiering, opdagede forskerne en måde at systematisk indstille sammensætningen af ​​multiferroiske materialer for at kunne slå fase omdannelse til og fra.

Normalt er et metals evne til at skifte faser som dette forhindret af en karakteristik kaldet "hysterese", hvilket er hvor lang tid det tager for magnetikken af ​​metalet at indhente faseændringen. Hvis det tager for lang tid, forhindrer det metalets evne til at skifte faser frem og tilbage.

Udviklingslegeringer

"Nøgleideen er at manipulere legeringens sammensætning, så de to krystalstrukturer passer perfekt sammen," sagde James. "Når dette er gjort, falder hysterese af fasetransformationen dramatisk, og den bliver meget reversibel."

Selv efter at de første lave hysterese-legeringer begyndte at dukke op, var strategien alt baseret på teori. "For at være sikker på, at hysterese faldt af den forventede årsag, var det kritisk, at vi faktisk ser de perfekte grænseflader i afstemte legeringer," sagde James.

Til dette formål samarbejdede James med Nick Schryvers fra Electron Microscopy for Materials Science laboratoriet ved Antwerp Universitet i Belgien, et berømt center for undersøgelsen af ​​fase transformationer ved hjælp af elektronmikroskopi. Det resulterende studie af Schryvers og universitetet i Antwerpen afdelingsstuderende Remi Delville afslørede perfekt matchende grænseflader mellem de to faser.

Heusler legeringer

Forskerne forfulgte konceptet i en familie af legeringer kaldet Heusler-legeringer, som er magnetiske, selvom de metaller, der gør dem op, ikke er. Opkaldt til den tyske minedriftingeniør Friedrich Heusler, der først bemærkede, at Cu2MnSn (kobber-mangan-tin) er magnetisk, selv om de separate elementer Cu, Mn og Sn er ikke-magnetiske, har denne legeringslege en slående tilbøjelighed til at udvise magnetisme. Som James noter, er Heuslers også lastet med martensitiske fase transformationer.

Working in James 'gruppe, postdoktor Vijay Srivastava anvendte strategien for at opnå lav hysterese, der systematisk ændrede sammensætningen af ​​den grundlæggende Heusler legering Ni2MnSn og ankommer til Ni45Co5Mn40Sn10.

"Ni45Co5Mn40Sn10 er en bemærkelsesværdig legering, "sagde James." Lavtemperaturfasen er ikke-magnetisk, men højtemperaturfasen er en stærk magnet, næsten lige så stærk som jern ved samme temperatur. "Forskerne realiserede straks, at en sådan legering kunne virke som fasen -transitionering af vand i et kraftværk

"Hvis du omgiver legeringen med en lille spole og opvarmer den gennem fasetransformationen, inducerer den pludselig skiftende magnetisering en strøm i spolen," sagde James. "I processen absorberer legeringen lidt latent varme, og det bliver varme direkte til elektricitet."

Revolutionerende kraftværker

Konsekvenserne for teknologien er potentielt vidtrækkende. I et kraftværk ville man ikke have brug for de massive trykbeholdere, rørledninger og varmevekslere, der anvendes til transport og varmevand. Da transformationstemperaturen kan justeres over et bredt område, kan konceptet tilpasses mange kilder til varme oplagret på jorden med små temperaturforskelle.

"Man kan endda drømme om at bruge temperaturforskellen mellem havets overflade og et par hundrede meter ned," sagde James.

Sammen med professor Christopher Leighton ved University of Minnesota studerer forskerne også muligheden for at lave tynde filmversioner af deres enheder. De kunne arbejde i computere, lige på chipet, for at konvertere spildvarme til elektricitet for at oplade batteriet.

James understreger, at deres demonstration kun er en af ​​mange måder man kan bruge martensitiske fase transformationer til energi konvertering.

"Foruden magnetisme er der mange fysiske egenskaber, som kunne være forskellige i de to faser og kunne bruges til at generere elektricitet fra varme," sagde James. "Men hvordan man udvikler disse begreber, og hvilke vil fungere bedst?"

"Selv kriteriet for det bedste er uklart, da man ikke betaler for affaldsvarme," fortsatte James. "Vi skal virkelig tænke på de grundlæggende principper om termodynamikken ved energikonvertering ved lille temperaturforskel."

Redaktørens note: Denne forskning blev støttet af National Science Foundation, det føderale agentur, der var ansvarlig for finansiering af grundforskning og uddannelse på tværs af alle områder inden for videnskab og teknik. Eventuelle udtalelser, konklusioner og konklusioner eller anbefalinger udtrykt i dette materiale er forfatterens og afspejler ikke nødvendigvis Nationale Videnskabsstiftelsens synspunkter. Se bagved scenesarkivet.


Video Supplement: Thorium..




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com