Jak vyrábět elektřinu z tepla bez turbín: Tajemství termočlánku

Jakýkoli zdroj tepla lze přeměnit na zdroj elektřiny – bez parních kotlů, turbín a jiných objemných konstrukcí.

Redakční kancelář
Diskutujte o tématu

Jak je známo, většina elektřiny se vyrábí spalováním fosilních paliv. Vzniklé teplo se využívá například k výrobě páry, která roztáčí turbínu spojenou s generátorem. Hlavním způsobem výroby elektřiny je tedy nepřímá přeměna tepla, která je spojena s velmi významnými energetickými ztrátami. „Na výrobu 1 wattu užitečné energie se v průměru spotřebuje asi 5 wattů tepla, z toho 4 na vytápění prostředí. Pokud bychom dokázali tyto ztráty co i jen nepatrně snížit, znamenalo by to obrovskou úsporu paliva a výrazné snížení emisí oxidu uhličitého,“ vysvětluje Arunava Majumdar z Kalifornské univerzity v Berkeley.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Mezitím je metoda přímé přeměny tepla na elektřinu známá již od první poloviny 19. století, kdy Thomas Seebeck zjistil, že selektivní ohřev (nebo ochlazování) místa kontaktu dvou vodičů s různými chemickými vlastnostmi je doprovázen tzv. vzhled elektromotorické síly (termoemf). Zjednodušeně řečeno, na opačných koncích vodičů se vyskytuje napětí a pokud dojde ke zkratu, začne v obvodu protékat elektrický proud. Na tomto principu funguje termočlánek, jednoduché zařízení sloužící k měření teploty. Nejjednodušší termočlánek se skládá ze dvou tyčí z různých kovů, připájených na jednom konci. Podle změny napětí na opačných koncích tyčí lze usuzovat na změnu teploty v místě jejich spojení.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Opakovaně byly činěny pokusy přizpůsobit fenomén termo-EMF k výrobě elektřiny. Odpovídající zařízení, nazývaná termoelektrické konvertory, byla během posledních 50 let poměrně aktivně vyvíjena a dokonce našla své uplatnění v některých oblastech průmyslu. Pro hromadnou výrobu elektřiny jsou však zjevně nevhodné. Za prvé, účinnost takových konvertorů nepřesahuje 7 %, zatímco u parních turbín toto číslo dosahuje 20 %. A co je nejdůležitější, účinný termočlánek vyžaduje vzácné kovy – vizmut, telur, platinu atd. Tato okolnost činí termoelektrické měniče velmi drahými a velmi nepraktickými zařízeními.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Specialisté z Kalifornské univerzity však dokázali získat termo-EMF efekt pomocí uměle syntetizované organické molekuly spojující dva kovové vodiče. Podle vědců to znamená skutečný průlom v přeměně tepla na elektřinu: organické látky jsou velmi levné a snadno se vyrábějí. Během experimentů vědci propojili dvojice zlatých vodičů vrstvami tří různých organických sloučenin – benzendithiolu, dibenzendithiolu a tribenzendithiolu. Poté se jeden z vodičů začal zahřívat, aby vznikl teplotní rozdíl. Pro každý stupeň rozdílu vědci zaznamenali zvýšení napětí o 8,7 μV pro první, 12,9 μV pro druhé a 14,2 μV pro třetí připojení. Maximální teplotní rozdíl dosažený během testů byl pouze 30° Celsia.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

„Tato čísla se nemusí zdát příliš významná, ale zcela dokazují správnost našeho konceptu. Organická termoelektřina udělala svůj první krok,“ řekl Pramod Reddy, jeden z účastníků studie. V blízké budoucnosti mají vědci v úmyslu testovat řadu dalších organických sloučenin a kovů, aby bylo dosaženo výraznějšího termo-EMF efektu.

Přečtěte si také: „Elektřina z řas“, „Hlučná energie“.

Online publikace TechInsider
Zakladatel Fashion Press LLC: 117105, Moskva, vnitřní území. městský obvod Donskoy, dálnice Varshavskoe, 9, budova 1
Adresa redakce: 117105, Moskva, vnitřní území města, městský obvod Donskoy, Varšavské dálnice, 9, budova 1
Šéfredaktor: Nikita Aleksandrovich Vasilenok
Redakční e-mailová adresa: [email protected]
Telefonní číslo redakce: +7 (495) 252-09-99
Označení informačních produktů: 16+
Online publikace je registrována Federální službou pro dohled nad komunikacemi, informačními technologiemi a hromadnými komunikacemi, registrační číslo a datum rozhodnutí o registraci: EL řada č. FS 77 – 84123 ze dne 09. listopadu 2022.

© 2007 — 2025 Fashion Press LLC
Při zveřejňování materiálů na Stránkách uděluje Uživatel společnosti Fashion Press LLC bezplatně nevýhradní práva k používání, reprodukování, distribuci, vytváření odvozených děl, jakož i k zobrazování materiálů a jejich zpřístupňování veřejnosti.

Poslechněte si audio verzi

Autor Gleb Segeda
Zveřejněno 18. ledna 2023
Zveřejněno 18. ledna 2023

Vaše tělo neustále generuje energii: zatímco cvičíte, potíte se, pracujete na počítači, pláčete nad prací na počítači nebo filmem o věrném psovi, chodíte se psem nebo bez něj a dokonce spíte. Moderní věda tvrdí, že to vše lze udělat s dvojím přínosem, a nabízí řadu inovativních řešení. Pojďme zjistit, jak je svět připraven přejít na energii generovanou lidským tělem.

Teplo a zima

Naše těla si udržují konstantní teplotu 36,6 stupňů – to je optimální hodnota pro chemické reakce v těle. Nejčastěji se teplota uvnitř člověka liší od teploty okolí a procesy tvorby a uvolňování tepla v těle jsou regulované. Asi 75 % vyrobené tepelné energie se rozptýlí kůží bez prospěchu pro člověka. Elektřinu lze z tepla vyrábět pomocí termoelektrických generátorů. Taková zařízení využívají teplotní rozdíl mezi povrchem kůže a prostředím: nezáleží na tom, kde se nacházíte: v poušti nebo na severním pólu. Čím větší je absolutní teplotní rozdíl, tím více elektřiny se vyrábí – tento princip se nazývá Seebeckův jev: pokud jsou dva dráty z různých materiálů sepnuty v elektrickém obvodu a na spojích drátů se udržují různé teploty, bude tímto obvodem protékat elektrický proud. Výkon, s nímž lidské tělo v klidu generuje teplo, je asi 80–100 wattů – to je výkon asi 12 LED žárovek. Při cvičení se tvorba tepla zvyšuje a pokračuje i během spánku, i když s nižším výkonem 60–80 wattů. Během spánku dokáže náramek s termoelektrickým generátorem na zápěstí přeměnit až 4,5 % vaší tepelné energie na elektřinu a uložit dostatek energie k nabití chytrého telefonu. Pokud by každý z nás měl takové zařízení na zápěstí 8 hodin denně, teplo generované osmi miliardami lidí na Zemi by mohlo poskytnout až 25 % světové elektřiny.

Nikolaj Kiselev přední specialista inženýrského centra Ruské ekonomické univerzity Zařízení založená na termoelektrochemických článcích, jako každá baterie nebo kondenzátor, mají elektrolyt a elektrody. Je pravda, že účinnost takových zařízení ještě nepřesahuje několik procent.

Místo antiperspirantu – hydrogel a biopalivový prvek

Pot není jen slaná voda. Obsahuje malé množství laktátu, metabolického produktu, který se uvolňuje z kyseliny mléčné v kosterních svalech během fyzické aktivity a poté se dostává do krve, orgánů a dalších svalů, kde slouží k ukládání energie. Aby vědci mohli využít laktát k výrobě elektřiny, vytvořili biopalivové články na bázi uhlíkových nanotrubic. Zařízení připomíná náplast s elektrodami, na jejichž povrchu jsou oxidační enzymy. Elektrochemické reakce mezi enzymy a laktátem v potu vedou ke vzniku elektrického proudu. Koncentrace laktátu v potu se během fyzické aktivity zvyšuje, proto je lepší elektřinu během tréninku ukládat. Výstupní výkon by měl stačit k napájení malých zařízení – sluchátek, elektronických hodinek, fitness náramků. Během odpočinku může být lidské tělo také „elektrárnou“. Vědci pomocí technologie oxidace laktátu vytvořili malé destičky s hydrogelem a biopalivový článek. Destičky se připevňují na konečky prstů, kde se nachází nejvyšší koncentrace potních žláz v lidském těle. Rychlost pocení na prstu dosahuje několika mikrolitrů na centimetr čtvereční za minutu – 2–3krát rychleji než v jiných částech těla. Energie vyrobená za osm hodin provozu zařízení stačí k nabití náramkových hodinek. Slzy neroníme nadarmo Slzy a sliny obsahují lysozym – enzym, který pomáhá ničit stěny bakteriálních buněk. V roce 1965, před objevem penicilinu, studoval Alexander Fleming potenciál tohoto proteinu jako antibiotika. V roce 2018 se lysozym začal používat k výrobě elektřiny. Za tímto účelem byl z krystalů lysozymu vytvořen film, který byl sevřen mezi dvěma skly. Efekt, kdy dochází k proudu v důsledku mechanického působení na pevné těleso, se nazývá piezoelektrický. Lysozym je první protein použitý k získání piezoelektřiny. Z hlediska účinnosti nejsou krystaly lysozymu horší než krystaly křemene, známé piezoelektrické látky. Na rozdíl od minerálu je však lysozym biologický materiál s antimikrobiálními vlastnostmi a lze jej použít pro biomedicínské přístroje, jako jsou kardiostimulátory. Slzy obsahují i další elektricky slibné látky: glukózu, kyselinu mléčnou a askorbovou. Výzkumný tým z Ruska a dalších zemí použil tyto sloučeniny jako palivo pro chytré kontaktní čočky. Mají zabudované elektrické senzory, které měří hladinu cukru v těle. Pro napájení senzorů vědci vytvořili biopalivový článek, který přeměňuje askorbát a kyslík na energii.

Sergej Šleev, doktor chemických věd Výkon elektrochemického článku je velmi nízký – na základě koncentrace askorbátu a rychlosti trhání může být až 22,1 mikrowattů. K napájení mikrosenzoru to ale stačí, zvláště pokud zvětšíte elektrody pomocí obou stran objektivu.

Elektrické srdce

Srdce je obklopeno elektromagnetickým polem. Každá kontrakce svalové tkáně vyvolá elektrický impuls, který je zaznamenán elektrokardiogramem. Pokud je rytmus a rychlost srdečního tepu narušena, lze to korigovat implantací kardiostimulátoru, který impulsy reguluje. Takové zařízení se skládá z mikroobvodu a baterie, přičemž baterii je nutné vyměňovat každých 5–10 let. Samotné srdce se může stát neomezeným zdrojem energie. Do srdce se implantuje čip vyrobený z nanovrstvy zirkoničitanu olovnatého, piezoelektrického materiálu. S každým úderem se generuje elektřina, která se akumuluje v malé baterii. Experimenty na velkých zvířatech ukázaly, že tělo čip neodmítá.

„GES“ prostřednictvím krevního řečiště

Krev nepřetržitě proudí tělem, prochází kapilárami, tepnami a žilami jako řeka s peřejemi a přítoky. Pokud lidé používají přehrady k přeměně energie padající vody na elektřinu, proč si do cév nenainstalovat miniaturní „vodní elektrárnu“? Model takové „přehrady“ byl vyvinut z vláken na bázi uhlíkových nanotrubic. V experimentech byla připojena k elektrodám a ponořena do roztoku simulujícího tok krve. Když se kapalina pohybovala, vlákna pomáhala generovat elektřinu podobně jako říční vodní elektrárny.