29 می 2003- محققین دانشگاه کالیفرنیا در سانتاکروز (UCSC) در رأس یک
برنامه همکاری به منظور توسعه فناوری جدیدی جهت افزایش بازده
موتور های احتراق داخلی قرار دارند. این فناوری قرار است حرارت
خروجی از موتور را به جریان الکتریکی تبدیل نماید.
این پروژه از مهندسی نانومتری مواد ، جهت تبدیل مستقیم انرژی حرارتی
به انرژی الکتریکی استفاده خواهد نمود. بودجه پروژه فوق تحت یک
امتیاز پنج ساله با مبلغ بیش از 2/1 میلیون دلار در سال توسط
دفتر تحقیقات نیروی دریایی آمری˜ا تأمین می شود. این مبلغ بین هفت
مؤسسه تقسیم خواهد شد.
دکتر عــلی شکــوری
دکتر علی شکوری، دانشیار مهندسی الکترونیک دانشگاه فوق و محقق اصلی
این پروژه اظهار داشت: " تمر˜ز نیروی دریایی، روی کشتی های الکتریکی
است، اما این پروژه برای اتومبیل های الکتریکی و هر وسیله نقلیه
ای که به الکتریسته نیاز داشته باشد مفید خواهد بود."
بازده موتور اتومبیل بسیار پایین است، به طور ی که فقط یک سوم
انرژی تولید ی در موتور برای پیش بردن اتومبیل مصرف و
مابقی انرژی، موجب گرم شدن موتور و پیدایش مشکلات عدیده ای
می گردد. پیدایش راهی برای تبدیل بخشی از این حرارت به انرژی
ال˜تری˜ی، موجب کاهش سوخت مصرفی اتومبیل ها خواهد گردید.
دکتر شکوری بیان داشت: "سیستم های فعلی تبدیل حرارت به الکتریسته ˜ه
مبتنی بر توربین هستند، سنگین ، پر سر و صدا و همچنین کم بازده می
باشند. آنچه ما بر روی آن کار می کنیم، هیچ بخش متحرکی نخواهد داشت
."
تیمی که دکتر شکوری سرپرستی آن را بر عهده دارد، قصد دارد با
استفاده از ظرفیت مواد لایه نازک، انرژی حرارتی خروجی را به
صورت جریان الکتریسته درآورد. آنها امیدوارند بتوانند بازده این
تبدیل را به 20 درصد برسانند.
محققین مدتی است که اصول علمی این تبدیل را موسوم به "اثر سیبک[2]"
و "گسیل ترمیو نیک"[3] می شناسند؛ هرگاه یک طرف ماده ای داغ تر از
طرف دیگر باشد، الکترو ن های سمت داغ تر، سریعتر حرکت می کنند. در
این فرآیند برخی از این الکترو ن ها به سمت ناحیه سرد حرکت کرده و
جریان الکتریسیته به وجود می آورند.
اما تلاش های قبلی جهت استفاده از این اصـل در تولید جریان ، به
اختلاف دما ی بسیار بالای بین دو طرف ماده احتیاج داشته، کارآیی آنها
حداکثر به 6 درصد رسیده بود.
تیم دکتر شکوری قصد دارد با اصول متحول کننده نانوتکنولوژی ، این
موضوع را تغییر دهد. وی می گوید: "توانایی مهندسی مواد در مقیاس
نانو متری ، مزیت بسیار بزرگی است. سه خاصیت کلیدی، یک ماده را
قادر به تبدیل حرارت به انرژی می سازند . اول اینکه آن ماده باید
قادر به انتقال آسان الکترو ن های داغ به سطح سرد خود باشد. این خاصیت
با نام هدایت الکتریکی شناخته می شود. دوم اینکه تا زمانی که الکترو ن
ها در جهت شیب دمایی حرکت می کنند، ماده باید بتواند به صورت
عایق حرارتی باقی بماند. و نهایتاً، الکترون های داغ باید راحت تر از
الکترو ن های سرد حرکت کنند. با برقراری گپ خلاء ضعیفی بین
طرف سرد و گرم ماده می توان به چنین هدفی رسید، یعنی الکترو ن
های داغ بدون اینکه حرارت را منتقل کنند، از طرف داغ به طرف
سردحرارت ˜نند. "
دکتر شکوری و برخی از اعضای تیم فوق، قبلاً بر روی پروژه مشابهی
اما با هدف متفاوت کار کرده بودند (خن˜ سازی) ؛ آنها هم اکنون در حال
بهبود یک ابزار خنک کنندة نانو متری هستند که می تواند به صورت لایه
ای نازک بر روی تراشه رایانه ب˜ار رود. جریان ال˜تریسیته در تراشه ها
موجب برقراری اختلاف دما بین لایه های این ابزار شده و حرارت را از
تراشه خارج می سازد.
ابزاری که در موتور اتومبیل به کار خواهد رفت، دقیقاً بر عکس این
فرآیند عمل می کند; از اختلاف دما بین موتور و محیط اطراف برای تولید
جریان الکتریکی استفاده می کند.
دکتر شکوری می گوید: "در این پروژه از مواد حالت جامد و گپ خلاء جهت
بهبود جریان الکترو ن های داغ بهره گرفته می شود."
این تیم تحقیقاتی به پنج زیرگروه تقسیم شده است، که هرکدام بخشی از
کار ، مثلاً مدل سازی نظری، ساخت یا آزمایش مواد و ساخت سیستم کامل
را بر عهده دارد. آزمایشگاه دکتر شکوری نیز طراحی و آنالیز
سیستم و همچنین مدیریت انجام پروژه را بر عهده دارد.
هفت مؤسسه فعال در این پروژه عبارتند از: دانشگاه کالیفرنیا در
سانتاکروز، دانشگاه هاروارد ، مؤسسه فناوری ماساچوست، دانشگاه
ایالتی کارولینای شمالی، دانشگاه پوردو، دانشگاه کالیفرنیا در برکلی
و دانشگاه کالیفرنیا در باربارا