Bahan-bahan baru, yang jika dipanaskan di bawah medan magnet yang tinggi, dapat menghasilkan tingkat rekor energi, contoh model.
Bayangkan jika kita memiliki kemampuan untuk menyalakan mobil yang sebagian tenaganya berasal dari panas yang dilepaskan oleh mesinnya. Atau bagaimana jika Anda bisa mendapatkan sebagian listrik rumah Anda dari panas yang dipancarkan pembangkit tenaga listrik? Skenario hemat energi semacam itu mungkin suatu hari nanti dapat dilakukan dengan perbaikan bahan termoelektrik – yang secara spontan menghasilkan listrik ketika salah satu sisi material dipanaskan.
Selama sekitar 60 tahun terakhir, para ilmuwan telah mempelajari sejumlah bahan untuk mengkarakterisasi potensi termoelektrik mereka, atau efisiensi yang mereka gunakan untuk mengubah panas menjadi tenaga. Tetapi sampai saat ini, sebagian besar bahan-bahan ini telah menghasilkan efisiensi yang terlalu rendah untuk penggunaan praktis yang luas.
Fisikawan MIT kini telah menemukan cara untuk secara signifikan meningkatkan potensi termoelektrik, dengan metode teoritis yang mereka laporkan di Science Advance . Bahan yang mereka model dengan metode ini lima kali lebih efisien, dan berpotensi menghasilkan dua kali jumlah energi, sebagai bahan termoelektrik terbaik yang ada saat ini.
“Jika semuanya berjalan sesuai dengan impian terliar kita, lalu tiba-tiba, banyak hal yang saat ini terlalu tidak efisien untuk dilakukan akan menjadi lebih efisien,” kata penulis utama Brian Skinner, seorang postdoc di MIT Research Laboratory of Electronics. “Anda mungkin melihat di kendaraan orang-orang sedikit penggunaan thermoelectric yang menggunakan limbah panas mesin mobil Anda ditunda, dan menggunakannya untuk mengisi ulang baterai. Atau perangkat ini dapat diletakkan di sekitar pembangkit listrik sehingga panas yang sebelumnya terbuang oleh reaktor nuklir Anda atau pembangkit listrik batubara sekarang akan dimanfaatkan dan dimasukkan ke dalam jaringan listrik. ”
Rekan penulis Skinner adalah Liang Fu, Sarah W. Biedenharn, Profesor Pengembangan Karir Fisika di MIT.
Menemukan lubang dalam teori
Kemampuan material untuk menghasilkan energi dari panas didasarkan pada perilaku elektronnya dengan adanya perbedaan suhu. Ketika satu sisi dari bahan termoelektrik dipanaskan, ia dapat memberi energi elektron untuk melompat dari sisi yang panas dan menumpuk di sisi dingin. Penumpukan elektron yang dihasilkan dapat menciptakan tegangan yang terukur.
Bahan-bahan yang sejauh ini telah dieksplorasi telah menghasilkan daya termoelektrik yang sangat sedikit, sebagian karena elektron relatif sulit untuk energi panas. Dalam kebanyakan materi, elektron ada di pita-pita tertentu, atau rentang energi. Setiap pita dipisahkan oleh celah – rentang kecil energi di mana elektron tidak dapat eksis. Elektron bertenaga yang cukup untuk melintasi celah pita dan secara fisik bermigrasi melintasi material telah sangat menantang.
Skinner dan Fu memutuskan untuk melihat potensi termoelektrik dari sebuah keluarga material yang dikenal sebagai semimetal topologi. Berbeda dengan kebanyakan material padat lainnya seperti semikonduktor dan isolator, semimetal topologi unik karena memiliki celah pita nol – konfigurasi energi yang memungkinkan elektron untuk dengan mudah melompat ke pita energi yang lebih tinggi ketika dipanaskan.
Para ilmuwan berasumsi bahwa semimetal topologi, jenis material yang relatif baru yang sebagian besar disintesis di laboratorium, tidak akan menghasilkan banyak daya termoelektrik. Ketika material dipanaskan pada satu sisi, elektron diberi energi, dan terakumulasi di ujung yang lain. Tapi karena elektron yang bermuatan negatif ini melompat ke pita energi yang lebih tinggi, mereka meninggalkan apa yang dikenal sebagai “lubang” – partikel muatan positif yang juga menumpuk di sisi dingin material, mengugurkan efek elektron dan menghasilkan energi yang sangat sedikit pada akhirnya.
Tetapi tim tidak cukup siap untuk mengabaikan bahan ini. Dalam sedikit riset yang tidak berhubungan , Skinner telah memperhatikan efek aneh dalam semikonduktor yang terkena medan magnet yang kuat. Dalam kondisi seperti itu, medan magnet dapat mempengaruhi gerakan elektron, membengkokkan lintasannya. Skinner dan Fu bertanya-tanya: Jenis efek apa yang mungkin dimiliki medan magnet pada semimetal topologi?
Mereka mencari keterangan dari literatur dan menemukan bahwa tim dari Princeton University, dalam mencoba untuk sepenuhnya mengkarakterisasi jenis bahan topologi yang dikenal sebagai ‘lead tin selenide’, juga telah terukur sifat termoelektriknya di bawah medan magnet pada tahun 2013. Di antara banyak pengamatan mereka terhadap material, para peneliti telah melaporkan melihat peningkatan pembangkitan termoelektrik, di bawah medan magnet yang sangat tinggi dari 35 tesla (kebanyakan mesin MRI, untuk perbandingan, beroperasi sekitar 2 hingga 3 tesla).
Skinner dan Fu menggunakan sifat material dari studi Princeton untuk secara teoritis memodelkan kinerja termoelektrik material di bawah kisaran suhu dan kondisi medan magnet.
“Kami akhirnya menemukan bahwa di bawah medan magnet yang kuat, hal yang lucu terjadi, di mana Anda bisa membuat elektron dan lubang bergerak ke arah yang berlawanan,” kata Skinner. “Elektron pergi menuju sisi dingin, dan lubang ke sisi yang panas. Mereka bekerja sama dan, pada prinsipnya, Anda bisa mendapatkan tegangan yang semakin membesar dari bahan yang sama hanya dengan menciptakan medan magnet lebih kuat.”
Tenaga Tesla
Dalam pemodelan teoritis mereka, kelompok tersebut menghitung selenide timbal ZT, atau angka kelayakan, kuantitas yang memberi tahu Anda seberapa dekat material Anda dengan batas teoritis untuk menghasilkan tenaga dari panas. Bahan yang paling efisien yang telah dilaporkan sejauh ini memiliki ZT sekitar 2. Skinner dan Fu menemukan bahwa, di bawah medan magnet yang kuat sekitar 30 tesla, ‘lead tin selenide’ dapat memiliki ZT sekitar 10 – lima kali lebih efisien daripada termoelektrik yang berkinerja terbaik.
“Ini jauh dari ukuran,” kata Skinner. “Ketika kami pertama kali menemukan ide ini, tampaknya agak terlalu dramatis. Butuh beberapa hari untuk meyakinkan diri bahwa semuanya sudah bertambah. ”
Mereka menghitung bahwa bahan dengan ZT sama dengan 10, jika dipanaskan pada suhu kamar hingga sekitar 500 kelvin, atau 227 derajat Celcius, di bawah medan magnet 30-tesla, dipastikan dapat mengubah 18 persen dari panas tersebut menjadi listrik, dibandingkan dengan bahan dengan ZT sama dengan 2, yang hanya akan dapat mengubah 8 persen dari panas itu menjadi energi.
Kelompok ini mengakui bahwa, untuk mencapai efisiensi tinggi seperti itu, saat ini semimetal topologi yang tersedia harus dipanaskan di bawah medan magnet yang sangat tinggi yang hanya dapat diproduksi oleh segelintir fasilitas di dunia. Agar bahan-bahan ini praktis untuk digunakan di pembangkit listrik atau mobil, mereka harus beroperasi dalam kisaran 1 hingga 2 tesla.
Fu mengatakan ini bisa dilakukan jika semimetal topologi sangat bersih, yang berarti bahwa sangat sedikit kotoran terdapat dalam materi yang akan menghalangi aliran elektron.
“Untuk membuat bahan sangat bersih sangat menantang, tetapi orang-orang telah mendedikasikan banyak upaya untuk pertumbuhan berkualitas tinggi dari bahan-bahan ini,” kata Fu.
Dia menambahkan bahwa ‘lead tin selenide’, bahan yang mereka fokuskan dalam penelitian mereka, bukanlah semimetal topologi terbersih yang disintesis para ilmuwan. Dengan kata lain, mungkin ada bahan lain yang lebih bersih yang dapat menghasilkan jumlah daya panas yang sebanding medan magnet yang jauh lebih kecil.
“Kita dapat melihat bahwa bahan ini adalah bahan termoelektrik yang baik, tetapi pasti ada yang lebih baik,” kata Fu. “Salah satu pendekatan adalah menggunakan [semimetal topologi] terbaik yang kita miliki sekarang, dan menerapkan medan magnet 3 tesla. Ini mungkin tidak meningkatkan efisiensi dengan faktor 2, tapi mungkin 20 atau 50 persen, yang sudah merupakan kemajuan yang cukup besar. ”
Tim telah mengajukan paten untuk pendekatan termolektrik baru mereka dan berkolaborasi dengan peneliti Princeton untuk menguji teori secara eksperimental.
