الفضة والسيلينيوم تحلّ مكان المواد الحرجة.. مواد حرارية كهربائية أرخص وأقوى

تستقطب المواد الحرارية الكهربائية (TE) اهتمامًا واسعًا لقدرتها على تحويل الحرارة مباشرة إلى كهرباء والعكس، ما يجعلها أساسية لتطبيقات مثل التبريد الإلكتروني واسترجاع حرارة النفايات.

وقد طور فريق بحثي بقيادة Young Hun Kang في Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT) مادة حرارية كهربائية عالية الأداء صديقة للبيئة تعتمد على سيلينيد الفضة (Ag₂Se)، قابلة للتصنيع في ظروف حرارة وضغط أقل بكثير من الطرق التقليدية.
نُشرت الدراسة في مجلة Advanced Composites and Hybrid Materials.

مبادئ العمل والتطبيقات

تستند المواد الحرارية الكهربائية إلى مبدأين رئيسيين:

– تأثير Peltier effect، حيث التيار الكهربائي يولد حرارة أو تبريدًا.
– تأثير Seebeck effect، حيث الحرارة تنتج كهرباء.

يُستخدم تأثير بيلتيير في أجهزة التبريد مثل الحواسيب والثلاجات المحمولة، بينما يُوظف تأثير سيبيك في مولدات الطاقة الحرارية لتطبيقات تشمل استغلال حرارة النفايات الصناعية أو السيارات وحتى المعدات الفضائية.

مميزات Ag₂Se المطورة

المواد التجارية الأكثر شيوعًا تعتمد على Bismuth telluride (Bi₂Te₃)، التي تستخدم عناصر نادرة مثل التيلوريوم، ما يزيد التكلفة ويثير قلقًا بيئيًا.

لحل هذه المشكلة، استخدم الفريق سيلينيد الفضة Ag₂Se، وهو مركب من عناصر متاحة نسبيًا، مع تبسيط العملية التصنيعية وتحسين صداقة البيئة.

تم تصنيع جزيئات نانوية من Ag₂Se ثم إضافة فائض من السيلينيوم لتكوين تركيبة غنية بالعنصر (Ag₂Se₁.₂). خلال عملية التسخين، يتحول السيلينيوم إلى طور سائل ويملأ الفراغات بين حبيبات Ag₂Se، مما يعزز نمو الحبيبات وكثافتها ويقلل المسامية، فيزيد الموصلية الكهربائية ويخفض التوصيل الحراري الشبكي.

أداء واستخدامات المواد الجديدة

حقق Ag₂Se₁.₂ معدل أداء حراري كهربائي (zT) يصل إلى 0.927 عند 393 كلفن (حوالي 120° مئوية)، مقاربًا لمستوى مواد Bi₂Te₃ التجارية.

كما أظهرت المادة زيادة أكثر من ضعفين في القوة الانضغاطية ومعامل يونغ، مما يجعلها صالحة للاستخدام في أجهزة بأشكال معقدة أو منحنية.

عملية التصنيع الجديدة تتم عند حوالي 350°م تحت الضغط الجوي، متجنبة الحرارة العالية (~1,000°م) أو الضغط الكبير المستخدم في الطرق التقليدية، ما يقلل التكلفة ويبسّط التصنيع.

من المتوقع أن تُستخدم هذه التقنية في أنظمة توليد الكهرباء الصغيرة من الحرارة في العمليات الصناعية، مراكز البيانات، وأنظمة الطاقة الشمسية الحرارية، فضلاً عن إمكانيتها الطويلة الأمد كمصدر طاقة للأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة استشعار الرعاية الصحية.