Telefonunuzu Şarj Edebilen Mobilyalar

Heat Harvest, Space 10

Dünyanın enerji ihtiyacının %90’ı fosil yakıtların yakılmasıyla elde ediliyor. Ancak bu süreçte kullanılan içten yanmalı motorların enerji verimliliği çok yüksek değil. Bu sistemlerde kullanılan enerjinin yaklaşık üçte ikisi ısı olarak kaybediliyor. Sıcaklık farkından yararlanılarak enerji elde edilmesini sağlayan termoelektrik malzemeler sayesinde bu durum değiştirilebilir.

Termoelektrik Etkinin Tarihi Hakkında Kısa Bir Özet

Termoelektrik etki ilk olarak 1821’de Alman fizikçi Thomas Johann Seebeck tarafından keşfedildi. Thomas J. Seebeck iki farklı metal plakayı birleştirerek bir devre kurdu. Malzemelerin birini ısıttığında, devrenin yakınındaki mıknatısın hareket ettiğini gördü.

Başlangıçta bu durumun nedeninin, sıcaklık farkının malzemelerin manyetik özellikleri üzerindeki etkisi olduğunu düşündü. Daha sonra ise sıcaklık farkının elektrik potansiyeline yani voltaj farkına yol açtığı ve elektrik akımı (potansiyel farkı elektronların hareket etmesine dolayısıyla elektrik akımının oluşmasına neden olur) geçerken oluşan manyetik alanın (Amper Yasası ile açıklanmıştır) mıknatısın hareket etmesine sebep olduğu sonucuna vardı. Bu olgu daha sonraları Seebeck etkisi olarak isimlendirildi.

Thomas J. Seebeck

Thomas J. Seebeck farklı elementlerin, minerallerin ve alaşımların termoelektrik özelliklerini inceledi ve bu malzemeleri termoelektrik verimliliklerine göre sıraladı.

Daha sonra bu olayın iki yönlü bir süreç olduğu anlaşıldı. 1834’te Fransız fizikçi Jean-Charles-Athanase Peltier, birbirine eklenmiş iki farklı metalden oluşan bir devreden elektrik geçirdiğinde, elektrik akımının yönüne bağlı olarak sistemin sıcaklığının arttığını ya da azaldığını belirledi. Bu süreç ise Peltier etkisi olarak isimlendirildi.

Termoelektrik Etkinin Bilimi

Peki, sıcaklık farkı nasıl potansiyel farkının dolayısıyla da elektrik akımının ortaya çıkmasına yol açar?

Alüminyumdan yapılmış bir metal çubuğun bir ucunu ısıttığımızı, diğer ucunu ise soğuttuğumuzu düşünelim. Sıcak kısımdaki yük taşıyıcıların (metallerde elektronların) kinetik enerjileri soğuk kısımlardakinden daha yüksektir ve daha hızlı hareket ederler. Bu nedenle elektron yoğunluğu sıcak uçta düşükken soğuk uçta yüksektir. Sıcaklığın düşük ve yüksek olduğu kısımlardaki elektron yoğunluklarının farklı olması potansiyel farkının ortaya çıkmasına neden olur.

Bu durumu içi gaz dolu bir tüp örneğiyle anlamak daha kolay olabilir. İçi gaz dolu tüpün bir ucunu ısıttığımızı, diğer ucunu ise soğuttuğumuzu düşünelim. Tüpün sıcak kısımlarındaki moleküller daha hızlı hareket eder ve daha uzak mesafelere taşınabilirler. Bu nedenle sıcak uçtaki gaz moleküllerinin yoğunluğu soğuk uçtakinden fazladır.

Büyük Umutlar ve Hayal Kırıklıkları

Termoelektrik etkinin keşfinden sonraki yıllarda birçok bilim insanı bu yöntemin elektrik enerjisi elde etmek amacıyla içten yanmalı motorların yerini alabileceğini düşünüyordu. Ancak uzun yıllar boyunca termoelektrik uygulamaların hayata geçirilebilmesi için yeterli verimlilik değerlerine ulaşılamadı.

Aslında bütün malzemeler termoelektrik özelliğe sahiptir. Ancak termoelektrik malzeme terimi bu sürecin yüksek verimlilikte gerçekleştiği malzemeler için kullanılır.

Termoelektrik sistemlerde oluşan potansiyel farkının büyüklüğü sıcaklık farkıyla orantılıdır. Orantı katsayısı ise Seebeck katsayısıyla (S) ifade edilir. Seebeck katsayısı (S) bir malzemenin termoelektrik veriminin bir ölçüsüdür ve büyüklüğü elektronların bulunduğu enerji seviyeleriyle yakından ilişkilidir. Bir malzemenin termoelektrik veriminin yüksek olması için Seebeck katsayısının büyük olmasının yanı sıra elektrik iletkenliğinin yüksek, ısı iletkenliğinin ise düşük olması gerekir. Ancak bu iki özellik birçok malzemede birbiriyle doğru orantılı olarak değişir.

Örneğin atomların yapı içinde düzenli bir şekilde konumlandığı kristal yapıdaki malzemelerin elektrik iletkenlikleri genellikle yüksektir. Ancak bu malzemeler aynı zamanda ısıyı da iyi iletir. Cam gibi atomların yapı içinde rastgele konumlandığı malzemelerin ısı iletkenliği düşüktür. Ancak bu malzemeler elektriği de iyi iletmez.

Başlangıçta termoelektrik etki üzerine yapılan araştırmalarda farklı metallerin termoelektrik özellikleri inceleniyordu. 1960’lı yıllardan itibaren ise bu amaçla yarı iletken malzemeler kullanılmaya başlandı. Ancak yakın zamana kadar termoelektrik veriminin bir ölçüsü olan ZT için ulaşılan en yüksek değer 1 olarak elde edilebilmişti. Son yirmi yılda ise termoelektrik etkinin verimliliğinde bu değerin üstüne çıkılmasını sağlayan malzemeler keşfedildi. Bu yöntemin içten yanmalı motorlarla yarışabilmesi için ZT değerinin 2,5’tan büyük olması gerekiyor.

Yıllardır devam eden araştırmalarda yakın zamanda umut verici sonuçlar elde edilmeye başlandı. 2014 yılında Nature dergisinde yayımlanan araştırmada Northwestern ve Michigan üniversitelerinden bilim insanları kalay ve selenyumdan oluşan bileşiğin (SnSe) termoelektrik veriminin 2,6 olduğunu belirledi. Araştırmada SnSe maddesinin düşük sıcaklıklarda termoelektrik veriminin düşük olduğu, yaklaşık 800 Kelvin’de malzemenin yapısındaki atomların konumlarının değiştiği ve bu değişimin malzemenin termoelektrik özelliklerinin iyileşmesini sağladığı anlaşıldı. Katmanlı yapıdaki SnSe maddesinin özellikleri, malzemenin her noktasında aynı değil. Araştırmacılar SnSe maddesinin ısı iletkenliğinin düşük olmasının bu özellikleri ile ilişkili olduğunu düşünüyor.

Nanoteknoloji ve malzeme bilimi alanındaki gelişmeler araç motorlarında, bilgisayar çiplerinde ve enerji santrallerinde ısı olarak kaybedilen enerjinin geri dönüştürülmesini sağlayabilir.

NASA

Curiosity’nin kendisini çektiği bir fotoğraf. Orta kısımda Radyoizotop Termoelektrik Jeneratör görülüyor.

Termoelektrik etki henüz hayatımızda yaygın olarak kullanılan bir teknoloji haline gelmese de aslında 1960’lı yıllardan beri uzay araştırmalarında kullanılıyor. Örneğin milyonlarca kilometre uzakta Mars’ta araştırmalar yapan Curiosity, enerjisini Radyoizotop Termoelektrik Jeneratörü’nden (RTG) sağlıyor. Jeneratör radyoaktif plütonyum-238 izotopunun parçalanması sırasında oluşan ısıyı, termoçiftler (elektriği ileten farklı sıcaklıklardaki iki metalin birleşiminden oluşan termoelektrik sistem) sayesinde doğrudan elektrik enerjisine dönüştürüyor. Radyoaktif yakıtın parçalanması sırasında açığa çıkan ısı, metallerden birinin ısınmasına neden olurken diğer metal uzay ortamında soğuk kalıyor.

Heat Harvest, Space 10

Termoelektrik etki, dünyanın enerji sorununa çözüm sağlamak gibi büyük beklentilerin olduğu bir teknoloji, ancak günlük hayatımızı kolaylaştıracak ürünlerde de kullanılabiliyor. Danimarka’daki Kopenhag Etkileşimli Tasarım Enstitüsü’nden (CIID) öğrenciler bu teknolojinin mobilyalarla birleştirilebileceğini düşündü. Yemek masasına yerleştirilen termoelektrik jeneratör, masanın üstüne koyulan sıcak yemek tabağından ya da çay fincanından yayılan ısıyı elektrik enerjisine dönüştürerek kablosuz şarj ünitesine aktarıyor. Böylece masanın üstündeki kablosuz şarj ünitesi sayesinde telefonlar ya da dizüstü bilgisayarlar kolayca şarj edilebiliyor.

Henüz tasarım aşamasında olan bu çalışma sayesinde termoelektrik teknolojiler yakın zamanda evlerimize kadar girebilir.

Kaynaklar:

• http://thermoelectrics.caltech.edu/thermoelectrics/history.html
• http://thermoelectrics.matsci.northwestern.edu/thermoelectrics/index.html
• http://electronicmaterials.usask.ca/Samples/Thermoelectric-Seebeck.pdf
• Zhao L.D ve ark., “Ultralow thermal conductivity and high thermoelectric figure of merit in SnSe crystals”, Nature, Cilt 508, Sayı 7496, s. 373-377, 2014.
• https://solarsystem.nasa.gov/rps/rtg.cfm