دانشمندان ژاپنی با استفاده از ماده جدیدی سوئیچ‌های حرارتی را کارآمد و پایدار می‌سازند
پژوهشگران دانشگاه هوکایدو در ژاپن از رویکرد جدیدی برای استفاده از اکسید سریوم (CeO2) به عنوان ماده فعال در سوئیچ‌های حرارتی استفاده کرده‌اند تا آنها را کارآمدتر و پایدارتر تولید کنند. در این رویکرد، CeO2 به صورت فیلم‌های نازک در داخل سوئیچ‌ها اعمال می‌شود و با این حال به عملکردی فوق‌العاده دست می‌یابد، به گفته‌ی یک بیانیه مطبوعاتی.
دو سوم از انرژی تولید شده از سوخت‌های فسیلی مانند زغال‌سنگ و نفت به صورت گرما هدر می‌رود. سیستم‌های مدیریت حرارتی مانند دیودهای حرارتی و ترانزیستورهای حرارتی می‌توانند به بازیابی این گرما و استفاده از آن کمک کنند.
به طور کلی به عنوان سوئیچ‌های حرارتی شناخته می‌شوند، این دستگاه‌ها می‌توانند به صورت الکتریکی انتقال گرما را در سیستم‌های مدیریتی کنترل کنند. این دستگاه‌ها روش اتصال یا قطع یک مسیر حرارتی رسانا بین اجزاء را بدون دخالت انسانی فراهم می‌کنند. این سیستم را بسیار پیچیده کرده و می‌توان آن را به صورت خودکار عمل کرد.
این رویکرد بهتر از تبدیل انرژی گرمایی به الکتریکی است که تفاوت دما را مستقیماً به برق تبدیل می‌کند، که بازده تبدیل انرژی آن پایین است.
کاربردهای پیچیده این فناوری شامل شاترهای حرارتی و همچنین نمایشگرهای پیشرفته است که انتقال حرارت مادون قرمز را به صورت کارآمدی تنظیم کرده و بازیابی گرمای هدررفته را بهبود می‌بخشند، که در نهایت سیستم‌ها را کارآمدتر می‌سازد.
چرا اکسید سریوم؟
سوئیچ‌های حرارتی با استفاده از مواد متنوع و در حالت‌های مختلف ساخته شده‌اند. سوئیچ‌های حرارتی الکتروشیمیایی حالت جامد نسبت به سایر سوئیچ‌ها چندین مزیت دارند. با این حال، به طور معمول، سوئیچ‌های حرارتی از مواد کمیاب ساخته می‌شوند.
این تنها هزینه ساخت را افزایش نمی‌دهد، بلکه به استخراج گسترده برای منبع‌یابی آنها نیاز دارد. علاوه بر این، سوئیچ‌هایی که با استفاده از این مواد ساخته می‌شوند نیز عملکرد ضعیفی دارند و به توسعه در مقیاس بزرگ محدود می‌شوند.
یک تیم پژوهشی به رهبری هیرومیشی اوتا، استاد دانشگاه هوکایدو، از اکسید سریوم (CeO2) به عنوان ماده انتخابی در رویکرد خود استفاده کردند زیرا این یک جایگزین به راحتی در دسترس است. CeO2 به طور فراوان روی سیاره موجود است و منبع‌یابی آن نیز دوستدار محیط زیست و مقرون به صرفه است.
علاوه بر این، عملکرد سوئیچ را نیز بهبود می‌بخشد، که این رویکرد را تبدیل به روشی ترجیحی برای ساخت سوئیچ‌های الکتریکی در آینده می‌سازد.
بهبودهای عملکرد
"دستگاه جدید دارای نسبت رسانایی حرارتی روشن/خاموش ۵.۸ و عرض سوئیچینگ رسانایی حرارتی (κ) ۱۰.۳ W/m·K است که یک معیار جدید برای سوئیچ‌های حرارتی الکتروشیمیایی ایجاد می‌کند،" اوتا در یک بیانیه مطبوعاتی توضیح داد.
"رسانایی حرارتی در حالت کمینه (وضعیت خاموش) ۲.۲ W/m·K است، اما در حالت اکسید شده (وضعیت روشن)، به طور قابل ملاحظه‌ای به ۱۲.۵ W/m·K افزایش می‌یابد. این شاخص‌های عملکرد پس از ۱۰۰ چرخه کاهش و اکسیداسیون ثابت باقی می‌مانند، نشان‌دهنده دوام و اعتمادپذیری فوق‌العاده برای استفاده گسترده در کاربری‌های عملی است،" اوتا در بیانیه مطبوعاتی اضافه کرد.
بنابراین، سوئیچ‌های حرارتی بر مبنای اکسید سریوم یک کشف نوآورانه هستند زیرا به کنترل جریان حرارتی که هم کارآمد و هم پایدار است دست می‌یابند.
این سوئیچ‌ها دارای حوزه‌های کاربردی گسترده‌ای هستند و در سیستم‌های استفاده روزمره مانند سرمایش الکتریکی و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر استفاده شده‌اند.
یافته‌های تحقیق در ژورنال Science Advances منتشر شد.
