W Liverpoolu powstał materiał o bardzo niskim przewodnictwie cieplnym
Nowy nieorganiczny materiał, o bardzo niskim przewodnictwie cieplnym może poprawić wydajność energetyczną urządzeń. Obecnie nawet 70% generowanej energii jest marnowana w postaci ciepła odpadowego. Zjawisko to jest nie tylko bardzo niekorzystne dla środowiska naturalnego, ale również prowadzi do przegrzewania się urządzeń, spadku ich wydajności i trwałości. Jednak część tego ciepła można by odzyskiwać i zamieniać w energię za pomocą materiałów o niskiej przewodności cieplnej.
Przewodność cieplna ciał stałych bierze się z zachowania ich fononów, czyli wibracji struktury krystalicznej. Można ją zmniejszyć na dwa sposoby. Albo skrócić drogę rozpraszania fononów, albo je spowolnić.
Droga rozpraszania fononów zależy od ich wzajemnego rozpraszania oraz rozpraszania się na defektach materiałów lub ich granicach. Z kolei prędkość grupy fononów zależy od struktury i składu materiału. Dotychczas próbowano skracać drogę rozpraszania fononów poprzez wprowadzanie celowych defektów w materiałach czy też poprzez zmianę interakcji grup fononów na styku różnych warstw materiałów.
Naukowcy z University of Liverpool wyprodukowali kompozytowy materiał, w którym warstwy BiOCl i Bi2O2Se pooddzielali od siebie warstwami Bi4O4SeCl2. W ten sposób uzyskali materiał, którego przewodność cieplna w temperaturze pokojowej w kierunku ułożenia warstw wynosi zaledwie 0,1 W K/m. To jedna z najlepszych wartości wśród materiałów nieorganicznych, jedynie 4-krotnie większa niż przewodność cieplna powietrza.
Punktem wyjścia dla trwających pięć lat badań było zrozumienie, w jaki sposób struktura materiału pozwala na kontrolowanie przewodnictwa cieplnego. W efekcie uzyskali materiał, którego przewodnictwo cieplne jest niższe niż każdej z jego składowych z osobna. To zaś pokazało, jak ważna jest struktura atomowa i lokalizacja poszczególnych atomów, bo to one zdecydowały o uzyskaniu tak pożądanych cech nowego materiału.
Autorzy badań, Matt Rosseinsky, Jon Alaria i ich zespół, chcą teraz tak zmodyfikować nowy materiał, by zyskał on właściwości termoelektryczne. Planują też wykorzystać swoje doświadczenia do pracy nad materiałami, którymi można będzie powlekać turbiny gazowe. Materiały takie muszą mieć przewodność cieplną niższą niż szkło, czyli poiżej 0,9 W/K/m.
To jednak nie wszystko. Zdaniem autorów, łączenie materiałów o różnym ułożeniu atomów w celu zmniejszania przepływu ciepła, to bardzo obiecujący kierunek badań. Te materiały możemy udoskonalać osobno, optymalizując ich struktury, zanim jeszcze je połączymy, stwierdzają.
Komentarze (9)
Jajcenty, 27 lipca 2021, 20:59
Wełna mineralna ma 0.045 WK-1m-1 zatem 0.1 W/(Km) szału nie robi - coś jest nie tak z wartościami? Jednostkami?
Czy to jest znacząco lepsze od LI-900 i podobnych? https://www.youtube.com/watch?v=Pp9Yax8UNoM tutaj gość gada o szybkim rozpraszaniu energii, ale jednak jestem pewien, że ten materiał ma drastycznie niski współczynnik przewodnictwa cieplnego.
nantaniel, 28 lipca 2021, 00:23
Suchy śnieg ma 0,05 W/(m·K), a jakoś nikt robi z niego izolacji
zibi101, 28 lipca 2021, 08:12
Popularny ostatnio: Silica Aerogel "from 0.03 W/(m·K) in atmospheric pressure down to 0.004 W/(m·K) in modest vacuum" (wikipedia)
rura, 28 lipca 2021, 08:45
bez podania wytrzymałości mechanicznej taka informacja jest bez sensu (przykład wełny!)
pogo, 28 lipca 2021, 14:56
To może lepiej już używać powietrza? Według artykułu jest 4 razy skuteczniejsze od tego nowego materiału i również nie składa się ze związków organicznych (nie licząc zanieczyszczeń).
A może próżnia? Ona wcale nie przewodzi ciepła.
Tylko jak tymi wszystkimi cudownymi materiałami pokryć turbiny?
Jajcenty, 28 lipca 2021, 18:24
Dobre pytanie. No ja bym zbił skrzynkę z drewna i wypełnił wełną albo suchym śniegiem. Większość strat w turbinie wynoszą poza układ spracowane spaliny. Być może pokrycie łopatek super materiałem izolacyjnym daje jakieś super zyski.
nantaniel, 29 lipca 2021, 01:48
https://pl.wikipedia.org/wiki/Turbina_gazowa#Chłodzenie_łopatek
Jajcenty, 29 lipca 2021, 08:14
Tak, spieszyłem się, i nie dopisałem 'w stosunku do chłodzenia powietrzem'. Na pewno chłodzenie powietrzem nieco obniża sprawność, ale za to izolator musi być dość odporny na ścieranie. Nie wiem jak często rozbiera i konserwuje silniki lotnicze czy inne, ale wiem że konserwacja turbin energetycznych trwa miesiące, sam wybieg i zatrzymanie zajmuje dni
Problemem jest ścieranie i korozja.
cyjanobakteria, 29 lipca 2021, 09:38
Kontrole w lotnictwie są bardzo szczegółowe. Przed każdym lotem pilot robi oględziny samolotu, co miesiąc robią to szczegółowo technicy w hangarze. Co pół roku przeglądy są bardziej szczegółowe. Po trzech latach prześwietla się krytyczne komponenty i wymienia elementy eksploatacyjne silników, a po pięciu rozbiera się na części pierwsze i prześwietla oraz wymienia praktycznie wszystko, często też siedzenia w kabinie. Co pięć lat samolot jest praktycznie nowy. Jakbyśmy traktowali samochody tak, jak samoloty pasażerskie, to nikt by nie potrzebował pomocy drogowej!
Wiadomo jednak, że takie drobiazgowe kontrole podnoszą koszty eksploatacyjne. Może trochę pomieszałem okresy przeglądów, bo dokładnie nie pamiętam, ale to jest ciekawe zagadnienie. Stąd niska awaryjność samolotów w krajach pierwszego świata 