Polacy z AGH dokonali przełomu – ich wynalazek może zmienić światową energetykę
Każdego dnia w przemyśle, transporcie i gospodarstwach domowych marnowane są gigantyczne ilości energii cieplnej. Ciepło ulatujące z kominów, rur wydechowych czy systemów chłodzenia mogłoby zasilać urządzenia elektryczne, gdyby tylko dało się je efektywnie wykorzystać. Nad tym problemem od lat pochylają się naukowcy z całego świata. Teraz zespół badaczy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie opracował rozwiązanie, które może okazać się prawdziwym przełomem – nowe moduły termoelektryczne, zdolne do przekształcania ciepła w prąd z wydajnością znacznie przewyższającą dotychczasowe technologie.
- Czym są moduły termoelektryczne?
- Odkrycie z AGH – na czym polega przełom
- Jak działa nowy moduł termoelektryczny?
- Potencjalne zastosowania technologii
- Od prototypu do produkcji – wyzwania komercjalizacji
Czym są moduły termoelektryczne?
Moduły termoelektryczne działają w oparciu o tzw. efekt Seebecka – zjawisko fizyczne odkryte w XIX wieku. Polega ono na tym, że różnica temperatur pomiędzy dwoma punktami przewodnika generuje różnicę potencjałów elektrycznych, a więc prąd. W praktyce oznacza to, że wystarczy połączyć odpowiednie materiały półprzewodnikowe i utrzymać między nimi gradient temperatury, aby otrzymać źródło prądu.
Tego rodzaju moduły od dawna wykorzystywane są w niszowych zastosowaniach. NASA stosowała je w sondach kosmicznych, gdzie służyły jako niezawodne generatory energii, a w elektronice powszechnie wykorzystuje się ich odwrotne działanie – efekt Peltiera – do chłodzenia procesorów i laserów. Mimo to, ich zastosowanie w przemyśle energetycznym było dotąd ograniczone przez niską efektywność i wysokie koszty.
Tradycyjne moduły termoelektryczne wymagały użycia rzadkich i drogich materiałów, takich jak tellurek bizmutu, oraz skomplikowanych okładzin ceramicznych. To sprawiało, że technologia była nieopłacalna na większą skalę. Zespół z AGH postanowił podejść do problemu inaczej – tworząc moduły prostsze, tańsze i znacznie bardziej wydajne.
Odkrycie z AGH – na czym polega przełom
Przełomowe moduły opracowane w Krakowie różnią się od tradycyjnych przede wszystkim konstrukcją i zastosowanymi materiałami. Naukowcy zastąpili kosztowne okładziny ceramiczne stopami aluminium, które są znacznie tańsze, lepiej przewodzą ciepło i ułatwiają montaż. Dzięki temu udało się radykalnie obniżyć koszty produkcji, przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności całego układu.
Największe wrażenie robi jednak osiągnięta gęstość mocy – aż 2,5 kW/m², co oznacza, że moduły AGH potrafią generować nawet dziesięć razy więcej energii niż tradycyjne ogniwa fotowoltaiczne w podobnych warunkach powierzchniowych. To wynik, który otwiera zupełnie nowe możliwości wykorzystania tej technologii, szczególnie tam, gdzie dostępne jest ciepło odpadowe.
Zespół pod kierunkiem dr. hab. Krzysztofa Wojciechowskiego, współpracujący m.in. z Siecią Badawczą Łukasiewicz i Instytutem Fizyki PAN, opracował prototyp i obecnie poszukuje inwestora, który umożliwi uruchomienie produkcji. To moment, w którym nauka spotyka się z biznesem – i który może zadecydować o przyszłości tego odkrycia.
Jak działa nowy moduł termoelektryczny?
Zasada działania pozostaje podobna do klasycznego efektu Seebecka, lecz nowatorska konstrukcja wprowadza kilka kluczowych ulepszeń. Moduł z AGH ma zoptymalizowaną strukturę warstwową, w której ciepło przepływa przez materiały o różnym przewodnictwie, a generowany prąd jest skuteczniej zbierany i transportowany. Dzięki temu straty energii są minimalne, a sprawność konwersji znacząco wyższa.
Zastosowanie stopów aluminium jako elementu konstrukcyjnego przyniosło dodatkową korzyść – znacznie poprawiono zarządzanie ciepłem i wytrzymałość mechaniczną. Aluminium nie tylko przewodzi ciepło, ale też ułatwia rozpraszanie nadmiarowej temperatury, co eliminuje ryzyko przegrzewania i zwiększa żywotność modułu.
Kolejnym krokiem w innowacji było uproszczenie procesu produkcji. Tradycyjne moduły termoelektryczne wymagały precyzyjnego, kosztownego montażu w warunkach laboratoryjnych. Prototyp z AGH można natomiast wytwarzać w sposób półautomatyczny, co otwiera drogę do seryjnej produkcji w przyszłości.
Potencjalne zastosowania technologii
Potencjał nowych modułów jest ogromny. W przemyśle mogą one służyć do odzyskiwania energii cieplnej z pieców hutniczych, silników spalinowych, turbin czy kotłów przemysłowych. Tam, gdzie ciepło jest produktem ubocznym, moduły AGH mogą przekształcać je w użyteczny prąd, obniżając zużycie energii elektrycznej i emisję CO₂.
W motoryzacji technologia ta mogłaby zasilić systemy wspomagające w pojazdach elektrycznych i hybrydowych. Ciepło generowane przez silnik lub układ hamulcowy można byłoby wykorzystać do doładowywania akumulatora, zwiększając zasięg pojazdu i zmniejszając jego zapotrzebowanie na energię z zewnętrznego źródła.
Zastosowania nie kończą się jednak na przemyśle. Moduły termoelektryczne mogą znaleźć miejsce w domach jako część nowoczesnych systemów grzewczych, integrujących odzysk ciepła z generacją prądu. Możliwe jest także ich wykorzystanie w sektorze kosmicznym i wojskowym – wszędzie tam, gdzie niezawodne źródło energii jest kluczowe.
Od prototypu do produkcji – wyzwania komercjalizacji
Mimo obiecujących wyników technologia jest wciąż na etapie prototypu. Moduły powstają ręcznie, a koszt pojedynczego egzemplarza porównywalny jest z ceną nowoczesnego smartfona. Naukowcy podkreślają jednak, że przy odpowiednim wsparciu finansowym można wprowadzić proces automatyzacji, który znacząco obniży koszty jednostkowe.
Największym wyzwaniem pozostaje pozyskanie inwestora. Potrzebne są środki na stworzenie linii produkcyjnej i dalsze prace nad skalowaniem. Uczelnia prowadzi rozmowy z potencjalnymi partnerami przemysłowymi, jednak komercjalizacja innowacji na tak wczesnym etapie wymaga odwagi i wizji ze strony biznesu.
Kolejnym krokiem będzie certyfikacja i testy długotrwałe. Moduły muszą wykazać stabilność pracy w trudnych warunkach przemysłowych – wysokich temperaturach, wibracjach czy zmiennych obciążeniach. Dopiero po ich pomyślnym zakończeniu możliwe będzie wprowadzenie produktu na rynek.