Những chất liệu mới biến nhiệt thành điện

Đa số các nhà máy điện ngày nay – từ một số ma trận điện mặt trời lớn nhất cho đến các cơ sở năng lượng hạt nhân – đều hoạt động trên sự đun sôi và ngưng tụ của nước để sản xuất năng lượng.

Quá trình biến nước nóng thành năng lượng về cơ bản đã được James Watt tìm hiểu tận hồi năm 1765. Nhiệt từ mặt trời hay từ một phản ứng hạt nhân có điều khiển làm sôi nước, sau đó dâng lên, làm quay một tua bin và phát ra điện.

Tại sao lại dùng nước? Vì nó rẻ tiền; nó hấp thụ rấy nhiều “nhiệt âm ỉ” khi nó biến thành hơi; nó sản ra rất nhiều năng lượng khi nó thổi qua tua bin; và nó dễ dàng ngưng tụ trở lại thành nước lỏng qua một nguồn môi trường như một con sông chẳng hạn.

Kĩ sư vật liệu Richard James thuộc trường Đại học Minnesota làm nóng một hợp kim mới lạ đặt trên một ngón đồng; chất liệu đột ngột trở nên có từ tính mạnh khi nó trải qua một sự biến đổi pha, biến nhiệt thành điện. Từ trái sang: Vijay Srivastava, Kanwal Bhatti, Yintao Song và Richard James.

Nhiệt năng thành điện năng

Bắt đầu từ nghiên cứu cơ bản của Nicolas Leonard Sadi Carnot vào năm 1824, các kĩ sư đã biết cách làm sôi và làm ngưng tụ nước, sử dụng “sự đặc biệt pha” này giữa chất lỏng và chất khí để phát điện.

Thêm nhiệt vào nước ở thời điểm thích hợp trong chu trình đó và ngăn sự trao đổi nhiệt ở những thời điểm khác trong chu trình cho phép các nhà nghiên cứu trích xuất phần lớn năng lượng từ hơi nước. Theo cách này, họ thận trọng thiết kế chu trình để tối đa hóa hiệu suất của nó, một khái niệm toán học mà Carnot đã định nghĩa.

“Sự sôi và ngưng tụ của nước đòi hỏi những bình áp suất và những bình trao đổi nhiệt cỡ lớn để chứa nước”, phát biểu của nhà nghiên cứu Richard James thuộc trường Đại học Minnesota.

James và đội của nghiên cứu của ông muốn dùng một sự biến đổi pha hoàn toàn khác thay thế cho sự sôi và ngưng tụ của nước. Họ đã và đang nghiên cứu khả năng sử dụng một họ hàng hợp kim (những hỗn hợp nhất định thuộc những nguyên tố khác nhau) gọi là “chất liệu đa ferroic”.

Các chất liệu đa ferroic

Chất liệu đa ferroic là những chất liệu biểu hiện ít nhất hai trong ba tính chất “ferroic”: ferro-từ (giống như một nam châm sắt, bị từ hóa tự phát), ferro-điện (tự phát sinh hai cực), hay ferro đàn hồi (bị căng tự phát). Một cách tự nhiên biểu hiện ferro đàn hồi là bằng một sự biến đổi pha trong đó một cấu trúc tinh thể đột ngột biến dạng thành một cấu trúc, cái gọi là biến đổi pha martensitic.

Thay vì nước biến thành hơi, ý tưởng của đội của James là sử dụng một sự biến đổi pha martensitic xảy ra tự nhiên ở một số chất liệu đa ferroic này. Sử dụng một lí thuyết toán học cho những sự biến đổi pha martensitic do Quỹ Khoa học Quốc gia Mĩ (NSF) tài trợ phát triển, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một cách điều chỉnh có hệ thống thành phần của các chất liệu đa ferroic để có thể mở và tắt sự biến đổi pha đó.

Thông thường, khả năng bật mở pha như thế này của một kim loại bị ngăn trở bởi một tính chất gọi là “tính trễ”, nghĩa là phải mất thời gian cho từ tính của kim loại bắt kịp với sự biến đổi pha. Nếu thời gian đó quá lâu, thì nó cản trở kim loại chuyển pha tới lui.

Các hợp kim đã điều chỉnh

“Ý tưởng chính là điều chỉnh thành phần của hợp kim để hai cấu trúc tinh thể khớp hoàn toàn với nhau”, James nói. “Khi làm như vậy, độ trễ của sự biến đổi pha giảm đột ngột và nó trở nên dễ đảo chiều”.

Ngay cả sau khi những hợp kim có tính trễ thấp đầu tiên bắt đầu xuất hiện, chiến lược như trên vẫn còn xây dựng trên lí thuyết. “Để đảm bảo rằng độ trễ giảm vì lí do mà ta trông đợi, điều cần thiết là chúng ta thật sự nhìn thấy những tiếp giáp hoàn hảo ở những hợp kim đã điều chỉnh”, James nói.

Vì mục đích này, James đã hợp nhóm với Nick Schryvers thuộc phòng thí nghiệm Kính hiển vi Điện tử cho Khoa học Vật liệu tại trường Đại học Antwerp ở Bỉ, một trung tâm nổi tiếng trong lĩnh vực nghiên cứu sự biến đổi pha sử dụng kính hiển vi điện tử. Nghiên cứu thu được, do Schryvers và nghiên cứu sinh Remi Delville thuộc trường Đại học Antwerp thực hiện, cho thấy những tiếp giáp khớp hoàn hảo giữa hai pha.

Các hợp kim Heusler

Các nhà nghiên cứu theo đuổi phương án trên ở một họ hợp kim gọi là hợp kim Heusler từ tính, mặc dù các kim loại cấu tạo nên chúng thì không có từ tính. Hợp kim mang tên kĩ sư khai khoáng người Đức Friedrich Heusler, người đầu tiên để ý thấy Cu₂MnSn có từ tính mặc dù từng nguyên tố Cu, Mn và Sn không có từ tính, họ hợp kim này có một xu hướng bất ngờ là biểu hiện từ tính. Như James lưu ý, Heusler cũng đã quan tâm đến các biến đổi pha martensitic.

Làm việc trong nhóm của James, nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ Vijay Srivastava đã áp dụng chiến lược trên để thu được độ trễ thấp, làm thay đổi có hệ thống thành phần của hợp kim Heusler cơ bản Ni₂MnSn và thu được Ni₄₅Co₅Mn₄₀Sn₁₀.

"Ni₄₅Co₅Mn₄₀Sn₁₀ là một hợp kim nổi bật”, James nói. “Pha nhiệt độ thấp thì không có từ tính nhưng pha nhiệt độ cao thì là một nam châm mạnh, mạnh gần như sắt ở cùng nhiệt độ”. Các nhà nghiên cứu lập tức nhận ra rằng một hợp kim như thế có thể tác dụng như nước biến đổi pha trong một nhà máy điện.

“Nếu bạn quấn một cuộn dây nhỏ xung quanh hợp kim và làm nóng nó qua sự biến đổi pha, thì sự từ hóa thay đổi đột ngột gây cảm ứng một dòng điện trong cuộn dây”, James nói. “Trong quá trình đó, hợp kim hấp thụ một phần nhiệt âm ỉ. Nó biến nhiệt trực tiếp thành điện”.

Cách mạng hóa các nhà máy điện

Các hệ quả đối với công nghệ có khả năng còn xa. Trong một nhà máy điện, người ta sẽ không cần những bình áp suất khổng lồ, nhưng bộ thổi và trao đổi nhiệt dùng để vận chuyển và làm nóng nước. Vì nhiệt độ biến đổi pha có thể điều chỉnh trên một ngưỡng rộng, nên phương pháp trên có thể áp dụng cho nhiều nguồn nhiệt dự trữ trên trái đất với độ chênh lệch nhiệt độ nhỏ.

“Người ta có thể mơ tới việc sử dụng sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt đại dương và vài trăm mét bên dưới”, James nói.

Cùng với giáo sư Christopher Leighton tại trường Đại học Minnesota, các nhà khoa học còn đang nghiên cứu khả năng chế tạo những phiên bản mỏng của những dụng cụ của họ. Những dụng cụ đó có thể hoạt động trong máy vi tính, ngay trên con chip, để biến nhiệt hao phí thành điện năng sạc cho pin nguồn.

James nhấn mạnh rằng minh chứng của họ chỉ là một trong nhiều cách người ta có thể sử dụng các biến đổi pha martensitic để chuyển hóa năng lượng.

“Ngoài từ tính, còn có nhiều tính chất vật lí có thể khác nhau ở hai pha và có thể dùng để phát điện từ nhiệt”, James nói. “Nhưng làm thế nào phát triển những khái niệm này và cái nào sẽ hoạt động tốt nhất?”

“Ngay cả tiêu chuẩn ‘tốt nhất’ cũng không rõ ràng, vì chẳng ai trả phí cho nhiệt tiêu hao”, James nói. “Thật vậy, chúng ta phải nghĩ lại từ những nguyên lí cơ bản của nhiệt động lực học của sự biến đổi năng lượng ở sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ”.

Nguồn: NSF