ŠtudentEdini pravi spletni portal za mlade

V zadnjih letih se povečuje zanimanje za tehnologije, ki učinkovito pridobivajo energijo iz odpadne toplote, saj svet vse bolj išče trajnostne vire energije. Znanstveniki in inženirji po vsem svetu si prizadevajo razviti materiale in naprave, ki bi lahko izkoristili toploto, ki bi se sicer izgubila, ter jo pretvorili v uporabno električno energijo.

Ena najbolj obetavnih tehnologij na tem področju so termoelektrični materiali, ki omogočajo neposredno pretvorbo toplotne energije v električno s pomočjo temperaturnih razlik. Razvoj prilagodljivih termoelektričnih vlaken iz bizmutovega telurida (Bi2Te3), pomeni prelomno inovacijo, ki bi lahko pomembno vplivala na prihodnost nosljivih naprav in industrijskih aplikacij.

Trajnostni potencial termoelektričnih materialov

Termoelektrični materiali lahko pretvarjajo temperaturne razlike v električno energijo, kar omogoča številne možnosti za njihovo uporabo. Toplotni viri so prisotni skoraj povsod okoli nas, bodisi v industrijskih procesih bodisi v vsakdanjem življenju, na primer telesna toplota ali toplota, ki jo proizvajajo avtomobili. Trenutno se ocenjuje, da se kar 70 % proizvedene energije izgubi kot odpadna toplota, zato je tehnologija, ki bi to toploto pretvorila v uporabno energijo, ključnega pomena za zmanjšanje energetske potratnosti in izboljšanje trajnostnih energetskih sistemov.

Anorganski termoelektrični materiali, kot je bizmutov telurid, so že dolgo prepoznani kot zelo učinkoviti pri pretvorbi toplote v električno energijo. Vendar imajo ti materiali svoje omejitve, saj so krhki in težko prilagodljivi za kompleksne ali ukrivljene površine, kot so človeško telo, cevi ali strojni deli. Prilagodljivi materiali, ki vsebujejo polimerne dodatke, sicer rešujejo ta problem, vendar zaradi slabše prevodnosti in toplotne izolacije ne dosegajo enake učinkovitosti kot njihovi anorganski kolegi.

Inovativna zasnova termoelektričnih vlaken

Raziskovalna ekipa z univerze KAIST je uspela preseči te izzive z razvojem novih termoelektričnih vlaken iz bizmutovega telurida, ki ne vsebujejo polimernih dodatkov, temveč temeljijo na anorganskih nanotrakovih. Ti nanotraki, ki jih je mogoče preoblikovati v vlakna, ponujajo izjemno prilagodljivost, hkrati pa ohranjajo visoko termoelektrično učinkovitost. S to inovacijo so znanstveniki ustvarili material, ki je ne le prilagodljiv, temveč tudi vzdržljiv – termoelektrična vlakna so ohranila svoje lastnosti tudi po več kot tisoč ciklih upogibanja in natezanja.

Uporaba termoelektričnih vlaken v nosljivih napravah, kot so pametna oblačila, prinaša številne možnosti. Z izkoriščanjem telesne toplote lahko ta oblačila proizvajajo električno energijo, kar bi omogočilo napajanje drugih naprav, kot so pametne ure, senzorji ali medicinske naprave, brez potrebe po dodatnih napajalnih virih. Poleg tega lahko takšne tehnologije pomembno prispevajo k izboljšanju učinkovitosti industrijskih procesov, saj bi lahko reciklirale odpadno toploto v različnih okoljih, na primer v industrijskih obratih ali vozilih.

Komercialni potencial termoelektričnih vlaken

Inovacija termoelektričnih vlaken ima velik komercialni potencial. Raziskovalna ekipa je dokazala, da se ta vlakna lahko uspešno vključijo v različne produkte, kot so reševalni jopiči in druga oblačila, kar omogoča zbiranje energije iz okoljskih temperaturnih razlik. Poleg tega se ta tehnologija lahko uporablja v številnih industrijskih aplikacijah, kjer je prisotna odpadna toplota, na primer pri vročih tekočinah v ceveh ali v proizvodnih procesih.

Zaradi svoje robustnosti in prilagodljivosti lahko termoelektrična vlakna najdejo široko uporabo tudi v ekstremnih okoljih, kot so visoke ali nizke temperature, kar jih naredi privlačne za uporabo v vesoljski industriji ali v raziskavah na oddaljenih območjih. Nadaljnje raziskave in izboljšave materialov bodo omogočile večjo učinkovitost in zmanjšanje proizvodnih stroškov, kar bi lahko pospešilo njihovo širšo uporabo v različnih panogah.

Razvoj termoelektričnih vlaken iz bizmutovega telurida predstavlja pomemben korak naprej v raziskavah trajnostnih virov energije. Z združevanjem prilagodljivosti, visoke učinkovitosti in vzdržljivosti ti materiali odpirajo vrata za številne aplikacije v nosljivih napravah, industriji in drugih področjih. V prihodnosti se pričakuje, da bodo termoelektrični materiali postali ključna tehnologija pri izkoriščanju odpadne toplote.

Raziskovalci na Univerzi Tufts v ZDA so ustvarili prvo tehnologijo izstreljevanja mreže, pri kateri lahko tekoči material izstreli iz igle, se takoj strdi kot vrvica ter se oprime predmetov in jih dvigne. Na kratko, raziskovalci so ustvarili Spider-Man mrežo.

Spider-Manova mreža

Ta lepljiva vlakna izvirajo iz kokonov svilenega molja, ki se prekuhajo v raztopini in razgradijo v svoje gradnike beljakovine, imenovane fibroin. Raztopino svilenega fibroina je mogoče ekstrudirati skozi igle z ozkimi izvrtinami, da se oblikuje tok, ki se s pravimi dodatki strdi v vlakno, ko je izpostavljen zraku.

Narava je prvotni navdih za polaganje svilenih vlaken v vrvice, mreže in kokone. Pajki, mravlje, ose, čebele, metulji, molji, hrošči in celo muhe lahko na neki točki svojega življenjskega cikla proizvajajo svilo.

Medtem ko so dosegli pomemben napredek z materiali na osnovi svile, raziskovalci doslej še niso posnemali mojstrstva pajkov, ki lahko nadzorujejo togost, elastičnost in lepilne lastnosti niti, ki jih predejo.

Mreža ustvarjena po naključju

Do preboja je prišlo čisto po naključju. »Delal sem na projektu izdelave izjemno močnih lepil z uporabo svilenega fibroina in med čiščenjem steklovine z acetonom sem opazil, da se je na dnu kozarca oblikoval mrežasti material,« je povedal Marco Lo Presti, raziskovalni asistent na Univerzi Tufts.

Naključno odkritje je premagalo več inženirskih izzivov pri posnemanju pajkovih niti. Raztopine svilenega fibroina lahko v nekaj urah počasi tvorijo poltrden hidrogel, če so izpostavljene organskim topilom, kot sta etanol ali aceton. Toda prisotnost dopamina, ki se uporablja pri izdelavi lepil, je omogočila skoraj takojšen začetek strjevanja. Ko so organsko topilo hitro vmešali, je raztopina svile hitro ustvarila vlakna z visoko natezno trdnostjo in lepljivostjo. Dopamin in njegovi polimeri uporabljajo isto kemijo, kot jo uporabljajo rane, da oblikujejo vlakna, ki se trdno držijo površin.

Naslednji korak je bilo vrtenje vlaken v zraku. Raziskovalci so raztopini svilenega fibroina dodali dopamin, za katerega se zdi, da pospeši prehod iz tekočega v trdno tako, da potegne vodo stran od svile. Ko se ga prestreli skozi koaksialno iglo, je tanek curek raztopine svile obdan s plastjo acetona, ki sproži strjevanje. Aceton izhlapi v zraku, tako da ostane vlakno pritrjeno na kateri koli predmet, s katerim pride v stik. Raziskovalci so izboljšali raztopino svilenega fibroina in dopamina s hitozanom, derivatom eksoskeletov žuželk, ki je dal vlaknom do 200-krat večjo natezno trdnost, in boratnim pufrom, ki je povečal njihovo oprijemljivost za približno 18-krat.

Mreža je dokaj močna

Naprava lahko izstreli vlakna, ki lahko pod različnimi pogoji poberejo predmete, ki presegajo 80-kratno lastno težo. Raziskovalci so to dokazali tako, da so z razdalje približno 12 centimetrov dvignili različne predmete, med drugimi tudi laboratorijsko cev.

Lo Presti je omenil, da »če pogledate naravo, boste ugotovili, da pajki ne morejo splesti svoje mreže. Običajno predejo svilo iz svoje žleze, fizično pridejo v stik s površino in narišejo črte, da zgradijo svoje mreže. Predstavljamo način, kako izstreliti vlakno iz naprave, se nato oprijeti in pobrati predmet od daleč, namesto da bi to delo predstavili kot material, ki ga je navdihnil biološki material. Je v resnici material, ki ga je navdihnil superjunak.«

Naravna pajkova svila je še vedno približno 1000-krat močnejša od umetnih vlaken v tej študiji. Toda z malo dodane domišljije in inženiringa se bo inovacija še naprej izboljševala in utirala pot različnim tehnološkim aplikacijam.