Hőből közvetlen elektromos energia, szerves molekulák alkalmazásával

Fém nanorészecskék közé illesztett szerves molekulával nyertek hőből közvetlenül elektromos energiát a Kaliforniai Egyetem (Berkeley) kutatói, közölte a Science tudományos hetilap hírszolgálata. A termoelektromosság jelensége régóta ismert, de ez a megvalósítás teljesen újszerű.

Illusztráció: szerves molekula arany nanorészecskékből álló elektródak között (a magyarázatot lásd a szövegben)

A hagyományos energiatermelés több lépésben zajlik. Különböző anyagok (földgáz, kőolaj, kőszén, szerves hulladékok) elégetéséből, illetve az atommagok hasadásából nyert hőenergiával rendszerint gőzt termelnek, az megforgatja a turbinát, a turbina a generátort, és így jutunk elektromos energiához. A többlépcsős folyamat minden fázisában energiát vesztünk, ezért az eredetileg felszabadult hőenergia kis hányadából lesz csak elektromos energia. A hőenergia nagy része haszontalanul elveszik. Évtizedek óta foglalkoznak azzal, hogyan lehetne ezt a hulladék hőt is hasznosítani. Erre kínál jó megoldást a termoelektromosság jelensége.

Thomas Johann Seebeck (1770-1831) német fizikus 1821-ben véletlenül fedezte fel, hogy egy fémrúd két vége között elektromos feszültség lép fel, ha a rúd két vége eltérő hőmérsékletű. Egy másik kísérletben két különböző fémből készült rúdból egy zárt kört hozott létre. A kétféle fém érintkezési pontjait eltérő hőmérsékletűvé tette, mire a közelben levő iránytű kitért szokásos helyzetéből. A hőmérsékletkülönbség miatt áram folyt a kétféle fémből álló körben, az iránytűt ennek mágneses tere térítette el.

Vagyis kétféle fémből vagy félvezetőből felépített körben - ha a csatlakozási pontok hőmérséklete különböző - elektromos áram folyik. Ezt a termoelektromos jelenséget ma felfedezőjéről Seebeck-jelenségnek hívjuk. A jelenség fordítottja is megvalósítható: két különböző vezető anyag érintkezésénél az átfolyó elektromos áram hatására az érintkezési pont felmelegszik, vagy lehűl - ez a Peltier-jelenség.

A Seebeck-jelenség hatásfoka sem magas, mindössze 7% körüli, gyakorlati alkalmazásához pedig ritka és ezért drága fémötvözeteket (például bizmut- és tellúr-ötvözeteket) használnak. Ezért ezt a lehetőséget széles körben egyelőre nem is aknázzák ki.

A Kaliforniai Egyetem (Berkeley) kutatói olyan anyagokat kerestek, amelyek gyakoriak és könnyen előállíthatók. Benzol-ditiol, dibenzol-ditiol és tribenzol-ditiol molekulákkal kísérleteztek. (A benzolban hat szénatom kapcsolódik össze gyűrűvé, minden szénatomhoz egy hidrogénatom kötődik. A -tiol név -SH [ként és hidrogént tartalmazó] csoportot jelöl, ez kapcsolódik a benzolhoz.)

A szerves molekulákat két, arany nanorészecskékből álló elektróda közé fogták be, majd az egyik elektródát felmelegítették. A szerves molekula két csatlakozó pontja tehát eltérő hőmérsékletűvé vált, és a Seebeck-jelenségnek köszönhetően megjelent a feszültségkülönbség. 1 fok hőmérsékletkülönbség hatására a benzol-ditiolnál 8,7 mikrovolt, a dibenzol-ditiol esetében 12,9, míg a harmadik kipróbált molekulánál 14,2 mikrovolt feszültséget mértek. (Fémeknél is hasonló, a mikrovolt/fok tartományba eső értékek jellemzőek.) A kísérletsorozatban 30 fok hőmérsékletkülönbségig mentek el.

A mért effektus ugyan nem nagy, mégis jelentős. Megmutatták, hogy molekuláris méretekben, olcsó anyagokkal is működtethető a Seebeck-jelenség. A munka folytatódik, más szerves molekulákat és más fémeket próbálnak ki, a szerkezeten is változtatnak. Olcsó szerves molekulákból és fém-nanorészecsékből gyakorlati célokra használható energiatermelő, illetve hűtőegységeket szeretnének létrehozni.

Jéki László