ابتكار ياباني يحول حرارة الأجهزة إلى كهرباء ويعزز الأداء 250 مرة

طور باحثون في جامعة توهوكو اليابانية مادة كهروحرارية مبتكرة من نيتريد الكروم، قادرة على تحويل الحرارة المفقودة من الأجهزة إلى كهرباء بكفاءة عالية. يأتي هذا الاكتشاف كحل لتحديات استغلال الطاقة المهدرة من الأجهزة الإلكترونية والمصانع والمركبات، حيث يتم فقدان جزء كبير من الحرارة دون الاستفادة منها.

تكمن أهمية هذه المادة في إمكانية ترسيبها على شكل أغشية رقيقة عند درجة حرارة الغرفة، مما يسهل دمجها مع المكونات الحساسة للحرارة، على عكس المواد التقليدية التي تتطلب درجات حرارة تصنيع مرتفعة. وقد نجح الباحثون في جامعة توهوكو في معالجة ضعف الأداء الكهروحراري لمادة نيتريد الكروم، والذي كان ناتجاً عن عيوب في تركيبها الذري، مثل فجوات النيتروجين. تم ذلك عبر إضافة كميات صغيرة من التيتانيوم، مما أدى إلى تقليل هذه العيوب وتحسين انتقال الشحنات الكهربائية.

أسفرت هذه الإضافة عن زيادة مذهلة في عامل القدرة الكهروحرارية بلغت 250 ضعفاً مقارنة بنيتريد الكروم النقي. وقد نشرت تفاصيل هذه النتائج في دراسة بدورية "جورنال أوف ماتيريالز كيمستري إيه". استخدم الفريق تقنية الترسيب بالرش التفاعلي عند درجة حرارة الغرفة للتحكم في كمية التيتانيوم داخل الغشاء.

أظهرت الاختبارات تغيرين رئيسيين بعد إضافة التيتانيوم: انخفاض في تركيز حاملات الشحنة وزيادة في حركة الإلكترونات بنحو 100 مرة، مما رفع جودة تحويل فرق درجات الحرارة إلى أداء كهربائي إلى 250 ضعفاً.

صنع الباحثون نموذجاً أولياً لمولد حراري كهربائي على ركيزة زجاجية، أنتج كهرباء عند إحداث فرق في درجة الحرارة. ووصلت القدرة القصوى المسجلة إلى 455.8 نانوواط عند فرق حرارة قدره 96 كلفن (حوالي 96 درجة مئوية).

على الرغم من النتائج الواعدة، لا يزال هذا الابتكار في مرحلة النموذج الأولي، ولا يمكنه حالياً تشغيل أجهزة كبيرة أو تزويد المصانع بالكهرباء بشكل كامل. كما أن إنتاج الغشاء عند درجة حرارة الغرفة لا يضمن جدواه التجارية فوراً، ويتطلب اختبارات إضافية للمتانة والاستقرار والتصنيع على نطاق واسع.

في حال أثبتت التجارب اللاحقة الجدوى التجارية، فإن التطبيقات المحتملة تشمل الأجهزة الإلكترونية، والمعدات الصناعية، والأجهزة المرنة وأجهزة الاستشعار، مما يفتح آفاقاً جديدة في مجال الإلكترونيات الدقيقة والأنظمة المعقدة.