Nhiệt kế là một tuyệt tác được đánh giá thấp về sự khéo léo của con người được xây dựng dựa trên sự hiểu biết về các nguyên tắc vật lý tương đối đơn giản. Nhiệt kế thủy ngân và rượu dựa vào thể tích chất lỏng tăng hoặc giảm khi phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Ngược lại, nhiệt kế hồng ngoại không tiếp xúc đọc bức xạ nhiệt phát ra từ bất kỳ vật thể nào, từ chảo rán đến cơ thể con người.
Tín dụng: Pixabay/CC0 Miền công cộng
Trong khi nhiệt kế kỹ thuật số, chẳng hạn như nhiệt kế hồng ngoại, là một phát minh tương đối gần đây thì các loại khác đã tồn tại hàng trăm năm.
Tuy nhiên, có một loại nhiệt kế kỹ thuật số khác được gọi là cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và tận dụng một hiện tượng tự nhiên trong đó sự gặp nhau của hai nhiệt độ khác nhau sẽ tạo ra dòng điện. Nguyên lý này có thể được sử dụng để đo nhiệt độ và thú vị hơn là thu được điện năng hữu ích từ sự thay đổi nhiệt độ hàng ngày. Tôi là thành viên của một nhóm làm việc để giúp biến công nghệ này thành hiện thực.
Nhiệt điện
Năm 1821, nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck quan sát thấy một kim la bàn từ gần đó bị lệch bởi một mạch điện kín làm bằng hai kim loại khác nhau. Hai năm sau, các nhà vật lý Hans Christian Ørsted và Jean Baptiste Joseph báo cáo rằng sự tương tác của hai kim loại, một khi được nối thành mạch điện, đã tạo ra dòng điện vì kim loại này ấm hơn kim loại kia.
Hiện tượng vật lý này sau này được đặt tên là Hiệu ứng Seebeck.
Điều thú vị là nhà vật lý người Ý Alessandro Volta – người được đặt tên để vinh danh thuật ngữ volt – đã quan sát và giải thích hiện tượng tương tự vào năm 1794 bằng cách sử dụng dây thần kinh từ một con ếch chết. Volta tạo ra dòng điện bằng dây kim loại, hai cốc nước (mỗi cốc có nhiệt độ khác nhau) và dây thần kinh của ếch làm cầu nối điện.
Một hình ảnh rùng rợn nhưng lại báo trước những đột phá khoa học trong tương lai.
Vui mừng trước những khả năng này, các nhà khoa học đã nỗ lực khai thác những phát hiện này bằng cách tạo ra và thu được lượng dòng điện hữu ích chỉ bằng cách kết nối hai vật liệu ở nhiệt độ khác nhau. Ngày nay chúng tôi gọi đây là nhiệt điện và chúng tôi vẫn sử dụng nó trong những bối cảnh rất cụ thể.
NASA đã tận dụng những lợi thế của công nghệ nhiệt điện để có thể khám phá không gian sâu bằng cách kết hợp các máy phát nhiệt điện với vật liệu phóng xạ làm nhiên liệu.
Các vụ phóng sử dụng máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ bao gồm tàu thám hiểm sao Hỏa Curiosity vào năm 2011, Perseverance vào năm 2020 và kế hoạch phóng Dragonfly vào năm 2027 tới mặt trăng Titan của Sao Thổ.
Công nghệ này thậm chí còn vi phạm lĩnh vực văn hóa đại chúng nhờ vai trò trung tâm của nó trong cuốn tiểu thuyết năm 2011—và bộ phim cùng tên sau này—The Martian của Andy Weir.
Gần nhà
Ở đây trên Trái đất, máy phát nhiệt điện đã được sử dụng ở những vùng sâu vùng xa để tạo ra điện. Ví dụ: một mô-đun nhiệt điện nhỏ, được kết nối với nồi hơi hoặc bếp lò di động, có thể sạc điện thoại của bạn khi bạn đi cắm trại nhưng lại tốn nhiên liệu. Đây chỉ là một ví dụ nhỏ; các thiết bị nhiệt điện có thể làm được nhiều hơn thế.
Xã hội loài người tạo ra lượng nhiệt quá mức thông qua nhiều quá trình từ nấu nướng, hoạt động công nghiệp đến thậm chí cả điều hòa không khí và làm lạnh. Sau khi các quá trình này kết thúc, gần như toàn bộ lượng nhiệt này sẽ tiêu tan mà không thu được lượng điện mà nó có thể cung cấp.
Ví dụ, chỉ khoảng 1/3 năng lượng được tạo ra trong ô tô chạy bằng xăng được sử dụng trong khi 2/3 còn lại bị thất thoát dưới dạng nhiệt. Lượng nhiệt bị mất đó có thể được thu lại để cung cấp năng lượng cho các thiết bị nhiệt điện, giúp cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng nhiên liệu.
Chúng ta có thể làm điều tương tự trong các nhà máy và ở nhiều nơi khác, nơi nhiệt là sản phẩm phụ bị lãng phí của một chức năng khác. Và việc xây dựng những hệ thống này sẽ giúp chúng ta đạt được mục tiêu không phát thải vào năm 2050.
Vậy tại sao trên Trái đất (theo nghĩa đen) chúng ta không sử dụng nhiệt điện để tái chế nhiệt lượng lãng phí?
Nói một cách đơn giản, một thiết bị nhiệt điện đòi hỏi vật liệu phải dẫn điện tốt và dẫn nhiệt kém. Nếu không có những đặc điểm này thì chênh lệch nhiệt độ và khả năng tạo điện giữa hai bên của thiết bị sẽ không được duy trì.
Ví dụ, dây đồng dẫn điện rất tốt nhưng cũng là chất dẫn nhiệt tuyệt vời. Những phẩm chất này tạo nên dây tốt nhưng cũng khiến đồng trở thành ứng cử viên kém trong ứng dụng này.
Xây dựng vật liệu
Vật liệu lý tưởng cho nhiệt điện không tồn tại một cách tự nhiên. Do đó, ưu tiên trong lĩnh vực nghiên cứu nhiệt điện là tạo ra các vật liệu vừa hiệu quả vừa rẻ tiền, để chúng có thể được sản xuất hàng loạt và ứng dụng rộng rãi—lý tưởng nhất là với chi phí tài nguyên tối thiểu.
Một số ứng cử viên vật liệu nhiệt điện được biết đến bao gồm chì, tuy nhiên, độc tính và tác động môi trường của nó đã loại trừ nó như một ứng cử viên khả thi. Phải tìm những lựa chọn thay thế lành tính hơn.
Hiện tại, một số vật liệu nhiệt điện dường như có tiềm năng giúp giảm thiểu cuộc khủng hoảng khí hậu mà chúng ta đang phải đối mặt.
Cùng với các đồng nghiệp của tôi tại Đại học McMaster, tôi đang làm việc với các đối tác công nghiệp để giúp phát triển các vật liệu mới rẻ hơn, đáng tin cậy hơn. Trọng tâm của vấn đề này là hiểu được những thay đổi về hiệu suất giữa các vật liệu khác nhau. Chúng tôi hy vọng sẽ phát triển được các vật liệu hoạt động tốt cả trong phòng thí nghiệm và trên quy mô lớn.
Điện thường xuyên được thảo luận về cách chúng ta có thể tạo ra nhiều điện hơn. Chúng ta cần nhiều nhà máy hơn, nhiều nhiên liệu hơn, nhiều năng lượng mặt trời hơn—nhiều thứ hơn. Chúng tôi đề nghị rằng đây chỉ là một nửa bức tranh. Chúng ta cũng phải học cách sử dụng thông minh tất cả các giai đoạn của vòng đời năng lượng để không chỉ tạo ra mà còn lưu trữ và sử dụng công nghệ nhiệt điện để thu hồi điện từ lượng nhiệt lãng phí đó.
Chỉ bằng cách này, chúng ta mới có thể thực sự tạo ra một mạng lưới điện hiệu quả hơn và giúp thúc đẩy một tương lai không có carbon.
