NASA-in rover Perseverance 2020 pokreće termoelektrični uređaj koji pretvara toplinu u korisnu električnu energiju. Na Marsu je izvor topline radioaktivno raspadanje plutonija, a učinkovitost pretvorbe uređaja iznosi 4 do 5 posto. To je dovoljno dobro za pokretanje rovera i njegovih operacija, ali nije za primjenu na Zemlji.

Najučinkovitiji termoelektrični sustav

Istraživači Sveučilišta Northwestern i Nacionalnog sveučilišta u Seoulu osmislili su visokoučinkovit termoelektrični materijal koji se može koristiti u razvoju uređaja. Materijal - a riječ je o pročišćenom selenidu kositra u polikristalnom obliku - bolje pretvara toplinu u električnu energiju, što ga čini dosad najučinkovitijim termoelektričnim sustavom. Visoka stopa konverzije postignuta je rješavanjem problema oksidacije.

Ovaj materijal mogao bi se koristiti u krutim termoelektričnim uređajima u raznim industrijama, uz potencijalno ogromnu uštedu energije. Ključ je u hvatanju industrijske otpadne topline te njeno pretvaranje u električnu energiju. Više od 65% globalno proizvedene energije iz fosilnih goriva gubi se kao otpadna toplina.

Za razliku od solarnih ćelija, termoelektrični uređaji rijetko se koriste, kao u slučaju Marsovog rovera. Stoga se istraživači usredotočuju na razvoj jeftinog materijala visokih performansi. Posljednji pokušaj opisan je u radu objavljenom u časopisu Nature Materials.

Poželjan polikristalni oblik

Rad termoelektričnih uređaja ovisi o materijalu od kojeg se izrađuje. Jedna strana uređaja je vruća, a druga hladna, dok se između nalazi termoelektrični materijal. Toplina prolazi kroz materijal, a dio topline pretvara se u električnu energiju koja iz uređaj izlazi putem žica.

Kako bi bio učinkovit pri pretvorbi otpadne topline, materijal mora imati iznimno nisku toplinsku vodljivost i pritom zadržati dobru električnu vodljivost. A budući da izvor topline može biti na čak 400 do 500 Celzijevih stupnjeva, materijal mora biti stabilan na vrlo visokim temperaturama. 

Godine 2014. otkriven je materijal koji najbolje pretvara otpadne topline u korisnu električnu energiju: kristalni oblik kemijskog spoja kositar selenida. Nažalost, takav oblik je krhak i sklon ljuštenju pa nije praktičan za masovnu proizvodnju.

No, zato se limeni selenid u polikristalnom obliku može rezati i oblikovati ali, iznenađujuće, ima visoku toplinsku vodljivost. Istraživači su s vremenom otkrili način za uklanjanje kisika i proizveli kuglice selenida kositra bez kisika.

Široka potencijalna primjena

Performanse polikristalnog oblika kao termoelektričnog uređaja koji toplinu pretvara u električnu energiju,premašile su performanse monokristalnog oblika i to ga čini  najučinkovitijim materijalom u povijesti.

To otvara vrata novim uređajima koji će se izgrađivati od polikristalnih kuglica selenida kositra. Potencijalna područja primjene termoelektričnog materijala uključuju automobilsku industriju gdje značajna količina potencijalne energije benzina izlazi iz ispušne cijevi vozila, teške industrije poput proizvodnje stakla i opeke, rafinerija, elektrana na ugljen i plin, ali i mjesta na kojima neprestano rade veliki motori s unutarnjim izgaranjem, poput velikih brodova i tankera.