క్వాంటం-ప్రేరేపిత డిజైన్ హీట్-టు-ఎలక్ట్రిసిటీ మార్పిడి సామర్థ్యాన్ని పెంచుతుంది

పరిశోధన థర్మల్-ఎనర్జీ ఎలక్ట్రికల్ స్టోరేజ్ అభివృద్ధిని తెలియజేస్తుంది, ఇది బ్యాటరీలకు సరసమైన, గ్రిడ్-స్కేల్ ప్రత్యామ్నాయంగా వాగ్దానం చేస్తుంది. మరింత విస్తృతంగా, సమర్థవంతమైన TPV సాంకేతికతలు పునరుత్పాదక శక్తి వృద్ధిని సులభతరం చేయగలవు — నికర-సున్నా ప్రపంచానికి పరివర్తనలో ముఖ్యమైన భాగం. మెరుగైన TPV వ్యవస్థల యొక్క మరొక ప్రధాన ప్రయోజనం ఏమిటంటే పారిశ్రామిక ప్రక్రియల నుండి వ్యర్థ వేడిని తిరిగి పొందడం, వాటిని మరింత స్థిరంగా చేయడం. దీన్ని సందర్భోచితంగా చెప్పాలంటే, ముడి పదార్థాలను వినియోగ వస్తువులుగా మార్చడానికి ఉపయోగించే వేడిలో 20-50% వరకు వృధాగా ముగుస్తుంది, దీని వలన యునైటెడ్ స్టేట్స్ ఆర్థిక వ్యవస్థకు సంవత్సరానికి $200 బిలియన్లకు పైగా ఖర్చవుతుంది.

TPV వ్యవస్థలు రెండు ప్రధాన భాగాలను కలిగి ఉంటాయి — కాంతిని విద్యుత్తుగా మార్చే ఫోటోవోల్టాయిక్ (PV) కణాలు మరియు వేడిని కాంతిగా మార్చే ఉష్ణ ఉద్గారకాలు. సిస్టమ్ సమర్థవంతంగా ఉండాలంటే ఈ రెండు భాగాలు బాగా పని చేయాలి, అయితే వాటిని ఆప్టిమైజ్ చేసే ప్రయత్నాలు PV సెల్‌పై ఎక్కువ దృష్టి పెట్టాయి.

“సాంప్రదాయ డిజైన్ విధానాలను ఉపయోగించడం వల్ల థర్మల్ ఉద్గారిణిల రూపకల్పన స్థలాన్ని పరిమితం చేస్తుంది మరియు మీరు ముగించేది రెండు దృశ్యాలలో ఒకటి: ఆచరణాత్మక, తక్కువ-పనితీరు పరికరాలు లేదా వాస్తవ-ప్రపంచ అనువర్తనాల్లో ఏకీకృతం చేయడం కష్టంగా ఉన్న అధిక-పనితీరు గల ఉద్గారకాలు” అని నాయక్ చెప్పారు. ఎలక్ట్రికల్ మరియు కంప్యూటర్ ఇంజనీరింగ్ అసోసియేట్ ప్రొఫెసర్.

npj నానోఫోటోనిక్స్‌లో ప్రచురించబడిన ఒక కొత్త అధ్యయనంలో, నాయక్ మరియు అతని మాజీ Ph.D. విద్యార్థి సిరిల్ శామ్యూల్ ప్రసాద్ — రైస్ నుండి ఎలక్ట్రికల్ మరియు కంప్యూటర్ ఇంజనీరింగ్‌లో డాక్టరేట్ సంపాదించాడు మరియు ఓక్ రిడ్జ్ నేషనల్ లాబొరేటరీలో పోస్ట్‌డాక్టోరల్ రీసెర్చ్ అసోసియేట్‌గా పాత్రను పోషించాడు — 60% కంటే ఎక్కువ సామర్థ్యాలను వాగ్దానం చేసే కొత్త థర్మల్ ఎమిటర్‌ను ప్రదర్శించాడు. అప్లికేషన్ సిద్ధంగా ఉండటం.

“వాస్తవిక, ఆచరణాత్మక డిజైన్ పరిమితులు ఇచ్చిన ఉద్గారిణికి సాధ్యమైనంత ఉత్తమమైన పనితీరును ఎలా సాధించాలో మేము తప్పనిసరిగా చూపించాము” అని అధ్యయనంపై మొదటి రచయిత అయిన ప్రసాద్ చెప్పారు.

ఉద్గారిణి టంగ్‌స్టన్ మెటల్ షీట్, స్పేసర్ మెటీరియల్ యొక్క పలుచని పొర మరియు సిలికాన్ నానోసిలిండర్‌ల నెట్‌వర్క్‌తో కూడి ఉంటుంది. వేడిచేసినప్పుడు, బేస్ పొరలు థర్మల్ రేడియేషన్‌ను కూడగట్టుకుంటాయి, వీటిని ఫోటాన్‌ల స్నానంగా భావించవచ్చు. పైభాగంలో కూర్చున్న చిన్న రెసొనేటర్‌లు ఈ స్నానం నుండి “ఫోటాన్ ద్వారా ఫోటాన్‌ను తీయడానికి” అనుమతించే విధంగా ఒకదానితో ఒకటి “మాట్లాడతాయి”, PV సెల్‌కి పంపబడిన కాంతి యొక్క ప్రకాశం మరియు బ్యాండ్‌విడ్త్‌ను నియంత్రిస్తాయి.

“సింగిల్-రెసొనేటర్ సిస్టమ్‌ల పనితీరుపై దృష్టి పెట్టడానికి బదులుగా, ఈ రెసొనేటర్లు పరస్పర చర్య చేసే విధానాన్ని మేము పరిగణనలోకి తీసుకున్నాము, ఇది కొత్త అవకాశాలను తెరిచింది” అని నాయక్ వివరించారు. “ఫోటాన్‌లు ఎలా నిల్వ చేయబడతాయి మరియు విడుదల చేయబడతాయి అనే దానిపై ఇది మాకు నియంత్రణను ఇచ్చింది.”

క్వాంటం ఫిజిక్స్ నుండి అంతర్దృష్టుల ద్వారా సాధించబడిన ఈ ఎంపిక ఉద్గారం, శక్తి మార్పిడిని పెంచుతుంది మరియు పదార్థాల లక్షణాల పరిమితిలో పనిచేసే మునుపు సాధ్యమైన దానికంటే అధిక సామర్థ్యాలను అనుమతిస్తుంది. కొత్తగా సాధించిన 60% సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరచడానికి, మెరుగైన లక్షణాలతో కొత్త మెటీరియల్‌లను అభివృద్ధి చేయడం లేదా కనుగొనడం అవసరం.

ఈ లాభాలు TPVని ఇతర శక్తి నిల్వ మరియు లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీల వంటి మార్పిడి సాంకేతికతలకు పోటీగా ప్రత్యామ్నాయంగా మార్చగలవు, ప్రత్యేకించి దీర్ఘకాలిక శక్తి నిల్వ అవసరమయ్యే సందర్భాలలో. అణు విద్యుత్ ప్లాంట్లు మరియు తయారీ సౌకర్యాలు వంటి పెద్ద మొత్తంలో వ్యర్థ వేడిని ఉత్పత్తి చేసే పరిశ్రమలకు ఈ ఆవిష్కరణ గణనీయమైన ప్రభావాలను కలిగి ఉందని నాయక్ పేర్కొన్నారు.

“చాలా సమర్థవంతమైన తక్కువ బ్యాండ్‌గ్యాప్ PV సెల్‌తో పాటు మేము ఇక్కడ ప్రదర్శించినది చాలా ఆశాజనకమైన సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉందని నేను నమ్మకంగా భావిస్తున్నాను” అని నాయక్ చెప్పారు. “నాసాతో కలిసి పని చేయడం మరియు పునరుత్పాదక శక్తి ప్రదేశంలో స్టార్టప్‌ను ప్రారంభించడం ద్వారా నా స్వంత అనుభవం ఆధారంగా, శక్తి మార్పిడి సాంకేతికతలు ఈ రోజు చాలా అవసరం అని నేను భావిస్తున్నాను.”

అంగారక గ్రహంపై రోవర్లను శక్తివంతం చేయడం వంటి అంతరిక్ష అనువర్తనాల్లో కూడా బృందం యొక్క సాంకేతికతను ఉపయోగించవచ్చు.

“మా విధానం అటువంటి సిస్టమ్‌లలో సామర్థ్యాన్ని 2% నుండి 5% వరకు పెంచగలిగితే, అది తీవ్రమైన వాతావరణంలో సమర్థవంతమైన విద్యుత్ ఉత్పత్తిపై ఆధారపడే మిషన్‌లకు గణనీయమైన ప్రోత్సాహాన్ని సూచిస్తుంది” అని నాయక్ చెప్పారు.

పరిశోధనకు నేషనల్ సైన్స్ ఫౌండేషన్ (1935446) మరియు US ఆర్మీ రీసెర్చ్ ఆఫీస్ మద్దతు ఇచ్చాయి.