Sebagian besar energi yang diproduksi terbuang sebagai panas. Suhu yang dihasilkan sebagai limbah kurang dari 100 derajat Celsius dan berasal dari hal-hal seperti komputer, mobil atau proses industri besar. Para insinyur di University of California, Berkeley, telah mengembangkan sistem film tipis yang dapat diterapkan pada sumber limbah panas seperti ini untuk menghasilkan energi pada tingkat yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk jenis teknologi semacam ini.
Sistem film tipis menggunakan proses yang disebut konversi energi piroelektrik, yang ditunjukkan oleh studi terbaru para insinyur sangat cocok untuk memasuki pasokan energi limbah panas di bawah 100 derajat Celcius, yang disebut limbah panas berkualitas rendah. Konversi energi piroelektrik, seperti banyak sistem yang mengubah panas menjadi energi, bekerja paling baik menggunakan siklus termodinamika, seperti cara kerja mesin mobil. Tapi tidak seperti mesin di mobil, konversi energi piroelektrik dapat direalisasikan sepenuhnya dalam keadaan padat tanpa bagian yang bergerak karena mengubah limbah panas menjadi listrik.
[Piroelektrisitas adalah kemampuan bahan-bahan tertentu untuk menghasilkan sebuah potensial listrik saat bahan-bahan itu dipanaskan atau didinginkan. Akibat perubahan suhu ini, muatan positif serta negatif bergerak ke ujung-ujung yang berhadapan/berlawanan melalui migrasi (misalnya bahan menjadi terpolarisasi) dan dengan begitu, terbentuklah sebuah potensial listrik.]
Hasil terbaru menunjukkan bahwa teknologi film tipis nanoscopic ini mungkin sangat menarik untuk diinstal dan memanen limbah panas dari elektronik berkecepatan tinggi tetapi bisa memiliki ruang lingkup aplikasi yang besar. Untuk sumber panas berfluktuasi, penelitian melaporkan bahwa film tipis dapat mengubah panas limbah menjadi energi yang dapat digunakan dengan kepadatan energi yang lebih tinggi, densitas daya dan tingkat efisiensi dibandingkan bentuk lain dari konversi energi piroelektrik yang ada.
“Kita tahu kita membutuhkan sumber energi baru, tetapi kita juga perlu melakukan lebih baik dalam memanfaatkan energi yang sudah kita miliki,” kata penulis senior Lane Martin, profesor ilmu dan teknik material. “Film tipis ini dapat membantu kita memeras lebih banyak energi daripada yang kita lakukan hari ini dari setiap sumber energi.”
Penelitian ini dipublikasikan di jurnal Nature Materials .
Perilaku piroelektrik telah dikenal sejak lama, tetapi secara akurat mengukur sifat versi film tipis sistem piroelektrik tetap menjadi tantangan. Kontribusi yang signifikan dari studi baru adalah untuk mengungkap proses itu dan meningkatkan pemahaman fisika piroelektrik.
Tim peneliti Martin mensintesis versi film tipis dari bahan setebal hanya 50-100 nanometer dan kemudian, bersama dengan kelompok Chris Dames, profesor teknik mesin di Berkeley, membuat dan menguji struktur perangkat piroelektrik berdasarkan film-film ini. Struktur ini memungkinkan para insinyur untuk secara bersamaan mengukur suhu dan arus listrik yang dibuat, dan sumber panas untuk menguji kemampuan pembangkit listrik perangkat – semuanya pada film yang tebalnya kurang dari 100 nanometer.
“Dengan menciptakan perangkat film tipis, kita bisa mendapatkan panas masuk dan keluar dari sistem ini dengan cepat, memungkinkan kita untuk mengakses daya piroelektrik pada tingkat belum pernah terjadi sebelumnya untuk sumber panas yang berfluktuasi dari waktu ke waktu,” kata Martin. “Semua yang kita lakukan adalah sumber panas dan menerapkan medan listrik ke sistem ini, dan kita dapat mengekstrak energi.”
Studi ini melaporkan catatan baru untuk kepadatan energi konversi energi piroelektrik (1,06 Joule per sentimeter kubik), kepadatan daya (526 Watt per sentimeter kubik) dan efisiensi (19 persen dari efisiensi Carnot, yang merupakan unit standar pengukuran untuk efisiensi panas mesin).
Langkah selanjutnya dalam penelitian ini adalah untuk lebih mengoptimalkan bahan-bahan film tipis ke aliran dan temperatur limbah panas spesifik.
“Bagian dari apa yang kami coba lakukan adalah membuat protokol yang memungkinkan kami untuk mendorong secara ekstrem bahan piroelektrik sehingga Anda dapat memberi saya aliran limbah panas dan saya bisa memberi Anda bahan yang dioptimalkan untuk mengatasi masalah Anda,” kata Martin .
