Nové supermateriály využívají odpadní teplo

Termodynamika je neúprosná. Její zákony určují, že více než polovina energie využívaná v autech, myčkách nádobí a jinde se ztrácí ve formě odpadního tepla. Tento údaj je ale jen průměr: v motorech aut je to až 70 %.

Ke zvýšení celkové energetické účinnosti by vedlo i to, kdyby se k výrobě elektřiny využila jen malá část odpadního tepla. Umožňují to například termoelektrické materiály, které umějí díky využití rozdílů teplot produkovat elektřinu. Pokud byste termoelektrickým materiálem obalili výfuk auta, elektřina z odpadního tepla bude napájet elektroniku auta. A jestliže se připojí termoelektrické prvky do ledničky, její odpadní teplo ji také pomůže napájet. Připojíme-li tyto materiály do slunečních panelů, pak se nikoliv jen sluneční světlo, ale i sluneční teplo využije k výrobě elektřiny.

Je to příliš lákavé, než aby to byla pravda? Zatím ano. Dosud nejúčinnější termoelektrický materiál – tellurid olova – totiž není v elektrických zařízeních pro využití v praxi povolen, protože olovo je jedovaté. A kdyby se olovo zaměnilo za jeho méně toxického bratrance vizmut, bylo by to finančně drahé. Po desetiletích výzkumu se k již existujícím zatím nepodařilo objevit alternativní termoelektrický materiál. Navíc, existující materiály mají podprůměrnou účinnost, která dále klesá při vyšších teplotách. To je činí neužitečnými například u automobilových motorů.

Skutterudit

Minerál arsenid kobaltu obsahující proměnlivá množství niklu a železa (Co, Ni, Fe)As₃ nalezený v roce 1845 v norském dole Skuterud je vzácný, ale pro praktické využití perspektivní termoelektrický materiál, a to i při vyšších teplotách. Gregory Meisner, vedoucí skupiny v General Motors, vyvíjí za finanční podpory ministerstva energetiky USA prototyp nákladního automobilu s termoelektrickým generátorem, který by sloužil k získání elektřiny z odpadních plynů k napájení autorádia, hlavních světel a dalšího příslušenství. Jeho vývoj by měl být dokončen do roku 2016. Kromě toho by bylo možné termoelektrický generátor využít i k nabíjení baterií v hybridních automobilech.

Dostupnost vhodných materiálů ale není ideální, protože na těžbu mnoha prvků vzácných zemin má téměř stoprocentní monopol Čína. Dosud hlavně používaný kobalt je drahý a relativně těžko dostupný.

Začátkem roku 2014 oznámili výzkumníci z japonské University of Osaka nadějné výsledky s využitím lacinějšího niklu a železa, ale bohužel s přídavkem thallia, dalšího toxického prvku. Ke snížení nákladů používá Meisnerův tým železo. Zkoumá rovněž, zda by dostupnější vápník nemohl nahradit některé nebo všechny prvky vzácných zemin. Další vývoj těchto materiálů by mohl rovněž zlepšit jejich schopnost odolávat teplotám až 550 °C, což by umožnilo využít i odpadní teplo z vysokoteplotních procesů při výrobě oceli apod.

Podle: Sally Adee: Skutterudites: The heat scavengers.  New Scientist, 2014, č. 2990, s. 40-41.