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新的纳米材料可以将废热转化为车辆和其他系统的可用电能。德克萨斯大学二叠纪盆地的研究人员正在使用TACC的超级计算机来寻找最佳的材料配置。知识共享
新的纳米材料可以将废热转化为车辆和其他系统的可用电能。德克萨斯大学二叠纪盆地的研究人员正在使用TACC的超级计算机来寻找最佳的材料配置。知识共享

文摘:
你感觉到电脑或手机散发出的温暖吗?那是从设备辐射出来的浪费能量。有了汽车,据估计,60%的燃料效率因余热而损失。有没有可能捕获这种能量并将其转化为电能?

将废热转化为清洁能源:研究人员利用超级计算机探索热电发电的新材料

奥斯丁发送时间:5月2日,二千零一十九

在热电发电领域工作的研究人员说是绝对的。但是,能否以经济有效的方式实现这一目标仍然是一个问题。

现在,热电发电机是稀有的,主要用于空间探测器等利基应用,不可能加油的地方。热电是一个活跃的研究领域,尤其是宝马和奥迪等汽车公司。然而,到目前为止,事实证明,将热能转化为电能的成本比电能本身更昂贵。

安维克什·科内鲁,德克萨斯大学二叠纪盆地(UTPB)机械工程高级讲师,正在探索一种利用自旋极化材料中电子的量子力学运动来捕捉余热的新方法。

在粒子物理学中,自旋是基本粒子所携带的角动量的固有形式,复合粒子(强子)原子核。通过一种称为自旋霍尔效应的机制,有研究表明,通过利用附着在铁磁材料上的金属触点上的自旋总体差异,可以产生电压。日本研究人员在2008年首次实验证明,这个想法已经在材料科学中渗透了一段时间,但还没有找到它的最佳形式。

科内鲁认为,在氧化钴中,他可能找到了合适的材料来利用能源生产的影响。一种无机化合物,用于制备蓝色釉料,在水分离技术方面,钴氧化物具有接受替代过渡金属阳离子的独特能力,这使得它们可以和镍混合,铜,锰,或锌。这些金属具有磁性,可以增加上下旋转的电子之间的间隔,并改善热到电的转换。

“材料应是良好的导电体,但是热导体不好。它应该传导电子,但不是声子,它们是热的,”科内鲁说。“为了进行实验研究,我们必须制造数千种不同的材料组合。相反,我们试图从理论上计算使用替代物的材料的最佳配置。”

自2018以来,Koneru一直在德州高级计算中心(TACC)使用超级计算机,通过一系列的替代物,对各种钴氧化物的能量分布进行虚拟测试。

“每次校准需要30到40小时的计算时间,我们必须研究至少1000到1500种不同的配置,”他解释说。“它需要巨大的计算能力,这正是TACC所提供的。”

Koneru与联合技术学院研究生古斯塔沃·达米斯·里森德一道,Nolan Hines西弗吉尼亚大学的合作者,Terence Musho在凤凰城材料研究会春季会议上介绍了他们对氧化钴热电容量的初步研究结果,亚利桑那州,4月22日。

研究人员研究了三种氧化钴结构的56个原子单位电池,通过镍和锌的替换来调节,以获得最佳的热电性能。他们使用一个被称为Quantum Espresso的软件包来计算每个配置的物理特性。这些包括:

-带隙:激发电子到其传导能量的状态所需的最小能量;点阵参数:晶体点阵中细胞的物理尺寸;

-传导电子的有效质量:一个粒子对力作出反应时的质量;

-自旋极化:自旋与给定方向的对准度。

然后利用这些基本性质进行常规电荷和自旋输运计算,这告诉研究人员,一种氧化钴的结构如何能将热量转化为电能。

据研究人员称,本研究所开发之方法可应用于其他具有半导体及磁性之感兴趣热电材料。使其对材料科学界有广泛的用途。

利用UT研究网络结构

作为西弗吉尼亚大学的博士生,科内鲁可以使用大型超级计算机进行他的研究。虽然utpb在当地没有此类资源,他能够通过UT研究网络框架(UTRC)计划,利用TACC的先进计算系统和服务,哪一个,自2007以来,为德州大学系统的14个研究机构中的任何一个提供了获取TACC资源的途径,专业知识,和培训。

作为联合技术委员会倡议的一部分,TACC工作人员担任联络人,参观UT系统的14个校区,提供培训和咨询,并向研究人员介绍可利用的资源。TACC研究员Ari Kahn访问UTPB时,他遇到了科内卢,并鼓励他在塔克计算。

从那时起,科内鲁一直在使用Lonestar5,一个专门为UT系统研究人员设计的系统,为了他的工作。虽然还处于早期阶段,到目前为止,这一结果是有希望的。

“我很兴奋,因为当钴氧化物尖晶石被镍取代时,我们可以清楚地看到自旋极化。这是个好兆头,”他说。“我们看到一个特定的配置在带隙上有更高的分裂,一些令人惊讶的事情,我们必须进一步探索。所有的校准都在汇聚,这表明它们是可靠的。”

一旦他确定了最佳的废热转化材料,科内鲁希望能设计出一种可以应用于汽车排气管的糊状物。把废热转化为电能来驱动汽车的电气系统。他估计,这种装置每辆车的成本不到500美元,每年可以减少数亿吨的温室气体排放。

“随着纳米制造的最新进展,以及纳米材料的计算校准,他说:“自旋热材料在未来的能量转换过程中起着至关重要的作用。”

TACC使Koneru能够快速通过大量可能的材料配置,以便在需要进行试验时,候选人的数量将是可控的。

Koneru说:“TACC是一个非常有用的系统,它的人员可以在出现任何问题时为您提供指导。”“如果教师或学生对需要计算设备的研究感兴趣,TACC是正确的选择。它免费提供资源和专业知识。无论你对什么感兴趣,它都是一个很好的推动者。“

TACC的AriKhan说:“我们的任务是鼓励全国各地的研究人员利用TACC资源做出实验室或地方集群无法做出的惊人发现。”博士科内鲁的研究是此类项目的一个很好的例子,该项目可能对空气污染和全球变暖产生重大影响。”

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版权所有©德克萨斯大学奥斯汀分校,德克萨斯高级计算中心

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