Birkaç ülkeden akademisyenlerin oluşturduğu araştırma ekibi, ‘termal metamalzeme’ kullanarak yüksek ısılarda radyasyon emisyonunu kontrol etmenin yeni bir yöntemini keşfetti. Keşif, enerji santrallerinde ve fabrikalarda ortaya çıkan atık ısının verimli bir şekilde geri kazanılmasını mümkün kılıyor.

Kömür ve petrol tabanlı enerji santrallerinde üretilen enerjinin kabaca yüzde 50-60’ı atık ısı olarak boşa gidiyor. Araştırmacıların geliştirdikleri termofotovoltaik cihazlar ise ortaya çıkan termal radyasyondan elektrik enerjisi üretilmesini, bir diğer deyişle atık olarak ortaya çıkan enerjinin geri kazanılmasını sağlıyor. Geri kazanma işlemini gerçekleştiren termofotovoltaik cihazlar, fabrikalarda ve enerji santrallerinde bulunan endüstriyel boruların yanı sıra otomobil motorlarına ve egzoz sistemlerine de uygulanabilir bir yapıya sahip.
Purdue Üniversitesi’nden yardımcı doçent doktoru Zubin Jacob, gerçekleştirdikleri araştırmayı şöyle özetliyor: “Ana fikir termal emisyonu çok yüksek ısılarda daha önce hiç denenmemiş yöntemlerle kontrol etmek.”

Nano ölçekteki tungsten ve hafniyum oksit katmanlarından oluşan termal metamalzeme, spektrumun bir bölümündeki emisyonu zapt ederken, bir diğer bölümdeki emisyonu ise artırıyor.

 

Metamalzemeler, nano antenler gibi ışığın daha önce görülmemiş şekilde kontrol edilmesini mümkün kılan özelliklerden, katmanlardan ve elementlerden meydana gelen kompozit araçlar. Yaklaşık 15 yıldır üzerinde çalışılan metemalzemeler, sıradışı yeteneklerini hassas tasarım ve nanometreler ölçeğinde üretim tekniklerine borçlular.

“Metamalzemeler çoğunlukla koherent ışığı manipüle etmek için kullanılıyordu, lazer buna bir örnek olarak gösterilebilir. Fakat 1000 derece ısıda kızılötesi termal radyasyonu manipüle etme kabiliyeti yepyeni araştırma alanlarını ortaya çıkarıyor.” diyen Jacob, kullandıkları termal zapt etme ve artırma tekniğinin, var olan termal mühendislik yaklaşımlarından farklı olduğunu, buna bir fenomen olarak tanımladığı topolojik dönüşümler dendiğini belirtiyor.

Araştırmanın detayları, bu yılın başında Nature Communications dergisinde yayınlanan akademik makale ile detaylandırıldı. Purdue Üniversitesi’nde başlayan araştırma, Hamburg University of Technology, Kanada’dan University of Alberta ve yine Almanya’dan Helmholtz-Zentrum Geesthacht Centre for Materials and Coastal Research araştırmacılarının da katılımıyla büyük yol kat etti. Akademik makale Dr. Pavel Dyachenko ve doktora öğrencisi Sean Molesky tarafından kaleme alındı.

Araştırma, termal emisyon alanında ‘refrakter malzemeler’ adı verilen yüksek ısıya dayanıklı metemateryallerin ilk kez kullanılması açısından önem arz ediyor. Jacob, öğrencisi ve makalenin yazarı Sean Molesky’nin araştırmayı 2012 yılında teorik olarak öngördüğünü ve aradan geçen dört yıllık süreçte diğer araştırmacıların da katılımıyla termal metermalzemeyi yüksek ısılarda deneyimlediklerini belirtiyor.

Fotovoltaik hücrenin basit çalışma prensibi şöyle, yarı iletken malzeme ışıkla aydınlatılıyor ve elektronların bir enerji seviyesinden diğerine hareketi sağlanıyor. Materyal karanlıktayken, yarı iletlenin içerisindeki elektronlar değerlik bandı adı verilen bir enerji bölgesinde yer alıyor. Materyal aydınlatıldığında ise elektronlar enerjiyi emerek daha yüksek bir enerji bölgesi olan iletim bandına yükseliyorlar. Elektronlar iletim bandına geçtiklerinde, değerlik bandında ‘boşluklar’ bırakıyorlar. İki bölgenin arasında bulunan ve hiçbir elektronun yer almadığı alana ise bant açıklığı ismi veriliyor.

“Bant açıklığının altında enerji varsa, bu çoğunlukla heba olur.” diyen Jacob, şöyle devam ediyor: “Yüksek verimli termal enerji dönüştürme işleminde amaç, bant açıklığının altındaki emisyonu azaltarak üzerindekini artırmak; biz de tam olarak bunu yaptık. Topolojik dönüşümü daha önce bu alanda hiç kullanılmadığı bir şekilde kullandık; yüksek enerji barındıran bölümlerdeki emisyonu artırdık ve düşük enerjili termal fotonları baskıladık. Bu sayede yalnızca bant açıklığının üzerindeki enerji spektrumuna ışık göndermemiz yeterli hale geldi.”

Jacob’a göre geliştirdikleri termofotovoltaik teknolojisi önümüzdeki yedi yıl içerisinde ticarileşmeye hazır olgunluğa erişebilir fakat bunun için araştırma sürecinde daha birçok önemli kilometre taşını başarıyla geride bırakmaları gerekecek.

Bu araştırma, German Research Foundation, National Science and Engineering Research Council of Canada, Alberta Innovates Technology Futures, and the Helmholtz-Alberta Initiative konsorsiyumu tarafından fonlandı.


Kaynak

Bu makale,  Purdue University tarafından İngilizce yayınlanan materyaller kullanıarak Türkçe diline çevrilmiştir. Stil ve uzunluk için yapısal değişikliklere uğratılmıştır.

Akademik Dergi Referansı

  1. P. N. Dyachenko, S. Molesky, A. Yu Petrov, M. Störmer, T. Krekeler, S. Lang, M. Ritter, Z. Jacob, M. Eich. Controlling thermal emission with refractory epsilon-near-zero metamaterials via topological transitions. Nature Communications, 2016; 7: 11809 DOI: 10.1038/ncomms11809
Paylaş

Cevapla