Vedci siahajú na Carnotov limit a možno i na menšiu priemyselnú revolúciu. Dokážu premeniť odpadové teplo späť na energiu.
Účinnosť tepelných, ale aj elektrických a vo všeobecnosti akýchkoľvek strojov je vždy viac či menej vzdialená od ideálnych sto percent. V opačnom prípade by vzniklo perpetuum mobile. Príčinou sú straty energie, ktoré sa vo väčšine prípadov transformujú do formy odpadového tepla - v mikroelektronických súčiastkach rovnako ako v motoroch automobilov či v generátoroch elektrární.
Niektorí výskumníci sa pokúšajú zvýšiť účinnosť elektrických zariadení práve pomocou zužitkovania odpadového tepla. Takúto koncepciu umožňujúcu využiť odpadové teplo na zvýšenie účinnosti elektrických (a elektronických) systémov nedávno publikoval tím na čele s Petrom Hagelsteinom, profesorom elektrotechniky na MIT, v časopise Journal of Applied Physics.
Podľa fyzikálnej teórie nemôže účinnosť premeny tepelnej energie na prácu v strojoch a zariadeniach presiahnuť istú špecifickú hodnotu, limit daný tzv. Carnotovým cyklom.
BANNER300
Problémom je, že dnes dostupné riešenia termoelektrickej konverzie majú len nízku účinnosť, nepresahujúcu desatinu Carnotovho limitu. Experimentálne zariadenie na báze takzvaných termálnych diód dosahuje podľa Hagelsteina účinnosť konverzie až 40 % Carnotovho limitu a výpočty ukazujú, že by bolo možné dosiahnuť účinnosť až 90 % hraničnej hodnoty.
Carnotov cyklus je jedným zo základných prvkov termodynamiky. Zdroj: hyperphysics
Profesor Hagelstein s doktorandom Dennisom Wu a ďalšími spolupracovníkmi sa vydali cestou vývoja úplne novej koncepcie namiesto zdokonaľovania existujúcich technológií.
Práce začali ešte v roku 2002, lenže vtedy sa vedci domnievali, že ide o čisto teoretický výskum a reálne zariadenie nebude možné zostrojiť. Ukázalo sa však, že obavy neboli na mieste. Zariadenie na termoelektrickú konverziu využíva špeciálny polovodič na báze kvantových bodov (quantum dots, QD). Tejto nanotechnológii sme sa venovali aj v ďalšom príspevku.
Súčasné technológie síce dokážu účinne konvertovať teplo na elektrinu, ale iba pri veľmi malých výkonoch. S narastajúcim výstupným výkonom účinnosť klesá. Nová QD koncepcia však údajne umožní dosiahnuť oboje súčasne: vysoký výkon aj účinnosť.
Výsledky uvedeného výskumu už aplikuje spoločnosť MTPV Corp. a jej zakladateľ Robert DiMatteo verí, že sa im riešenie podarí doviesť do komerčnej fázy.
Potrvá zrejme niekoľko rokov, kým sa objavia cenovo dostupné QD zariadenia a termoelektrické konvertory sa preto spočiatku zrejme uplatnia v systémoch s najvyššou pridanou hodnotou, akými sú napríklad počítačové procesory a iné mikroelektronické súčiastky. V budúcnosti by sa však takéto riešenia mohli využívať v ľubovoľných zariadeniach generujúcich (odpadové) teplo, vrátane motorov poháňajúcich autá, lietadlá, či lode.
Konverzia odpadového tepla na použiteľnú elektrickú energiu s vysokou účinnosťou bude podľa slov DiMattea zlatou baňou. A dodajme, že aj obrovským environmentálnym prínosom, ak uvážime, že asi 60 % energie získavanej z palív sa v súčasnosti stráca v podobe odpadového tepla. Okrem iného prispieva k zbytočnej produkcii skleníkových plynov.
Niektorým pragmatikom sa komplikovaný výskum a vývoj možno bude vidieť zbytočný, veď "zlaté bane" pri obchodovaní s emisiami oxidu uhličitého boli "uvedené do prevádzky" už dávno. Ale to je o konverzii trochu iného typu.