Egzoz Gazlarından Elektrik Elde Etmek Mümkün mü?

Çalışmaya, Ulusal Bilim Vakfı ve Amerikan Enerji Bakanlığı tarafından üç yıllık hibe ile 1,4 milyon dolar kaynak ayrıldı. Purdue Üniversite'sinden bir ekip, termoelektrik jeneratörler (TEGs) kullanarak bir prototip geliştiren General Motors (GM) ile birlikte çalışıyor. Ekibin başında ise Purdue Üniversitesi'nde makina mühendisi ve elektrik-bilgisayar mühendisi olan Prof. Xianfan Xu bulunuyor.

Termoelektrik jeneratörler, pilleri şarj edecek, bir aracın elektrik sistemlerini çalıştıracak, motorun iş yükünü azaltacak ve yakıt ekonomisini geliştirecek bir elektrik akımı üretirler. Xu, katalitik konvertörün arkasında egzoz sistemine yerleştirilecek prototipin, 700 Celcius'u veya 1,300 Fahrenheit'i bulan sıcaklıktaki gazlardan ısıyı toplayacağını söyledi.

Hali hazırdaki termoelektrik teknolojinin katalitik konvertör içindeki sıcaklıklara dayanmasının mümkün olmadığını (neredeyse 1,000 Celcius) söylüyor Xu. Fakat araştırmacılar, daha fazla yakıt tasarrufu sağlayacak bir adım olan böyle sıcaklıklara dayanabilecek yeni termoelektrik sistemler üzerinde de çalışmalarını sürdürüyor.

1 Ocak 2011'de başlayacak projenin ilk prototipi ile yakıt tüketiminin %5 azaltılması amaçlanıyor. Xu, gelecekte yüksek sıcaklıklarda çalışabilir nitelikte üretilecek sistemlerle bu oranın %10'a kadar çıkmasının mümkün olduğunu söylüyor.

Araştırma ekibinde Prof. Xu'dan başka; Purdue Üniversitesi öğretim üyelerinden makina mühendisi Prof. Timothy Fisher, uçak ve uzay bilimleri mühendisi Prof. Stephen Heister, malzeme mühendisi ve elektrik-bilgisayar mühendisi ve aynı zamanda akademik işler başkan yardımcısı ve dekan Prof. Timothy Sands, kimya mühendisliği dalında asistan profesör olan Yue Wu da bulunuyor.

Termoelektrik malzeme sistemin içine, kendi özel konumu için uygun olacak şekilde çiplere yerleştirilecek. Prof Xu, malzemelerin farklı sıcaklıklarda en iyi çalışmak üzere uygun hale getirileceğini söylüyor.

Araştırmacılar, verimliliği artırma ihtiyacı ile dayanıklılık, ısıtıldığında farklı olarak genişleyebilecek malzemelerin karmaşık bir karışımını entegre ve egzoz gazlarından mümkün olduğunca fazla ısıyı çekip toplamakla ilgili problemlerle de mücadele ediyorlar.

Termoelektrik malzemeler, bir sıcaklık farkı olduğunda elektrik üretir. Yaklaşık 10 yıldır termoelektrik araştırmalarda GM ile birlikte çalışan Xu, "Malzemenin egzoz gazlarına bakan tarafı sıcak ve diğer tarafı serin; bu fark, sürekli bir elektrik akımı üretmek için muhafaza edilmeli." diyor.

Araştırmanın kritik bir hedefi de ısı iletkenliğinde güçsüz malzemeleri geliştirmek.

"Isının çipin sıcak tarafından soğuk tarafına süratle transfer olmasını istemiyoruz, sürekli akım üretimi için sıcaklık farkını korumak istiyoruz." diyor Xu.

GM'deki araştırmacılar kobalt, arsenit, nikel veya demirden yapılmış bir mineral olan ve "skutterudite" adı verilen termoelektrik bir malzeme kullanıyorlar. Xu'ya göre en büyük sorun sistemin tasarımı ve egzoz gazlarından mümkün olduğunca en fazla ısıyı elde etmek için herşeyi nasıl düzenlemekle ilgili. Ona göre motor egzoz gazı, mümkün olduğunca fazla ısıyı malzemeye aktarmalı.

Lantan, sezyum, neodyum ve erbiyum gibi nadir bulunan toprak elementleri skutterudite adı verilen bu malzemenin ısı iletkenliğini azaltıyor. Bu elementler bir fırının içinde skutterudite ile karıştırılıyor. Saf nadir bulunan bu toprak elementlerini kullanmak pahalı olduğundan araştırmacılar, aynı zamanda onların yerine kullanılmak üzere alaşımlar üzerinde de çalışıyor.

Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı, İleri Savunma Araştırma Projeleri Ajansı, Bilimsel Araştırma Hava Kuvvetleri Ofisi ve Rolls-Royce Üniversitesi Teknoloji Merkezi'nin de dahil olduğu Purdue Üniversitesi'ndeki daha önceki bir araştırmanın üzerine inşa ediliyor.

Bulguların yanı sıra, öğretim ve araştırma odaklı projenin malzeme ve materyallerine, Purdue Üniversitesi'nin nanoHUB websitesi ve termalHUB web portalı üzerinden ulaşılabilecek. Araştırma, disiplinlerarası alanlarda lisans ve yüksek lisans öğrencilerine hem eğitim ve alıştırma fırsatı sağlayacak, hem de stajlar sayesinde endüstriyel deneyim kazandıracak.

Öte yandan Xu, termoelektrik teknolojilerin birçok alanda kullanılabileceğini söylüyor. Evlerde ve enerji santrallerinde atık ısıdan yararlanarak elektrik üretimi ve atık ısı yardımıyla yeni tip güneş pilleri bunlardan birkaçı.
 

Fotoğrafta Purdue Üniversitesi makina mühendisliği doktora öğrencisi Yaguo Wang, termoelektrik jeneratörlerle ilgili araştırma için Birck Nanoteknoloji Merkezi'nde yüksek hızlı lazerle çalışıyor.


Elektrikport / Emre GÜRBÜZ