Sebagian besar pembangkit listrik hari ini - dari beberapa array surya terbesar untuk fasilitas energi nuklir - mengandalkan mendidih dan kondensasi air untuk menghasilkan energi.
Proses mengubah air panas menjadi energi pada dasarnya dipahami oleh James Watt semua jalan kembali pada 1765. Panas dari matahari atau dari air mendidih reaksi nuklir dikontrol, yang kemudian mengembang, bergerak turbin dan menghasilkan listrik.
Mengapa air? Itu murah, itu menyerap banyak "panas laten" karena berubah menjadi uap; itu menghasilkan banyak kekuatan seperti mengembang melalui turbin, dan itu mudah terkondensasi kembali ke air cair menggunakan sumber lingkungan seperti sungai.
Panas menjadi listrik
Mulai dari penelitian mendasar dari Nicolas Leonard Sadi Carnot pada tahun 1824, insinyur telah belajar bagaimana memanipulasi mendidih dan kondensasi air, menggunakan "transformasi fase" antara cair dan gas untuk menghasilkan listrik.
Dengan menambahkan air panas ke pada titik yang tepat dalam siklus dan mencegah pertukaran panas pada titik-titik lain selama siklus memungkinkan peneliti untuk akhirnya mengekstrak daya yang paling dari uap. Dengan cara ini, mereka hati-hati dirancang siklus untuk memaksimalkan efisiensi, sebuah konsep matematika yang didefinisikan Carnot.
"Ini mendidih dan kondensasi air membutuhkan bejana bertekanan besar dan penukar panas mengandung air," kata peneliti Richard James, dari University of Minnesota.
James dan tim peneliti ingin menggantikan transformasi fasa yang sama sekali berbeda untuk menggantikan mendidih dan kondensasi air. Mereka telah menyelidiki bahwa kemungkinan menggunakan keluarga paduan logam (campuran tertentu dari elemen yang berbeda) disebut "bahan multiferroic".
Multiferroic bahan
Bahan multiferroic adalah bahan yang menunjukkan setidaknya dua dari tiga "ferroic" sifat: ferromagnetism (seperti magnet besi, spontan magnet), ferroelectricity (spontan mengembangkan dua kutub), atau ferroelasticity (spontan tegang). Sebuah cara alami untuk memamerkan ferroelasticity adalah dengan transformasi fase di mana satu struktur kristal mendistorsi tiba-tiba menjadi lain, transformasi fase yang disebut martensit.
Alih-alih air menjadi uap, ide tim James adalah menggunakan transformasi fasa martensit yang terjadi secara alami di beberapa bahan multiferroic. Menggunakan teori matematika untuk transformasi fase martensit dikembangkan dengan National Science Foundation dana, para peneliti menemukan cara untuk secara sistematis menyempurnakan komposisi bahan multiferroic untuk dapat mengubah fase transformasi dan mematikan.
Biasanya kemampuan logam untuk beralih fase seperti ini terhambat oleh suatu karakteristik yang disebut "histeresis," yang adalah berapa lama yang dibutuhkan untuk daya tarik dari logam untuk mengejar ketinggalan dengan perubahan fasa. Jika memakan waktu terlalu lama, menghambat kemampuan logam untuk beralih fase kembali dan sebagainya.
Berkembang paduan
"Ide utama adalah untuk memanipulasi komposisi paduan sehingga dua struktur kristal yang cocok bersama-sama dengan sempurna," kata James. "Bila ini dilakukan, histeresis dari transformasi fase menurun secara dramatis dan itu menjadi sangat reversibel."
Bahkan setelah histeresis paduan rendah pertama mulai muncul, strategi itu semua didasarkan pada teori. "Untuk memastikan bahwa histeresis jatuh untuk alasan yang diharapkan, itu adalah penting bahwa kita benar-benar melihat antarmuka yang sempurna dalam paduan disetel," kata James.
Untuk tujuan ini James bekerja sama dengan Nick Schryvers dari Mikroskopi Elektron untuk laboratorium Material Science di University of Antwerp di Belgia, pusat dirayakan untuk studi transformasi fase menggunakan mikroskop elektron. Penelitian yang dihasilkan, oleh Schryvers dan University of Antwerp mahasiswa pascasarjana Remi Delville, mengungkapkan sempurna pencocokan antarmuka antara dua fase.
Heusler paduan
Para peneliti mengejar konsep dalam keluarga paduan disebut Heusler paduan yang bersifat magnetis, meskipun logam yang membuat mereka tidak. Dinamakan untuk pertambangan insinyur Jerman Friedrich Heusler, yang pertama kali menyadari bahwa Cu 2MnSn (tembaga-mangan-timah) adalah magnet meskipun unsur-unsur yang terpisah Cu, Mn dan Sn yang bukan magnetik, keluarga ini paduan memiliki kecenderungan yang mencolok untuk menunjukkan daya tarik. Sebagai catatan James, Heuslers juga sarat dengan transformasi fasa martensit.
Bekerja dalam kelompok James, postdoctoral sesama Vijay Srivastava menerapkan strategi untuk mencapai histeresis rendah, sistematis mengubah komposisi paduan dasar Heusler Ni 2 MnSn dan tiba di 45 Ni Co Sn 5 Mn 40 10.
"Ni 45 Co 5 Mn 40 Sn 10 adalah paduan luar biasa," kata James. "Tahap suhu rendah nonmagnetik tetapi fase suhu tinggi merupakan magnet yang kuat, hampir sekuat besi pada temperatur yang sama." Para peneliti segera menyadari bahwa seperti paduan dapat bertindak seperti air fase-transisi dalam pembangkit listrik.
"Jika Anda memasukkan paduan oleh kumparan kecil dan panas itu melalui transformasi fase, tiba-tiba berubah magnetisasi menginduksi arus dalam kumparan," kata James."Dalam proses ini paduan menyerap sebagian panas laten Ternyata panas langsung menjadi listrik.."
Merevolusi pembangkit listrik
Konsekuensi bagi teknologi yang berpotensi jauh jangkauannya. Dalam pembangkit listrik, orang tidak akan memerlukan tekanan besar pembuluh, pipa dan penukar panas yang digunakan untuk mengangkut dan air panas. Karena temperatur transformasi dapat disesuaikan melalui berbagai, konsep ini disesuaikan dengan banyak sumber panas yang tersimpan di bumi dengan perbedaan suhu yang kecil.
"Satu bahkan dapat bermimpi menggunakan perbedaan suhu antara permukaan laut dan beberapa ratus meter di bawah," kata James.
Bersama dengan Profesor Christopher Leighton di University of Minnesota, para peneliti juga mempelajari kemungkinan membuat versi film tipis perangkat mereka. Mereka bisa bekerja di komputer, tepat pada chip, untuk mengubah sampah panas menjadi listrik untuk mengisi baterai.
Yakobus menekankan bahwa demonstrasi mereka hanyalah salah satu dari banyak cara yang bisa digunakan transformasi fasa martensit untuk konversi energi.
"Selain magnet, ada banyak sifat fisik yang dapat berbeda dalam dua fase dan dapat digunakan untuk menghasilkan listrik dari panas," kata James. "Tapi bagaimana mengembangkan konsep-konsep dan mana yang akan bekerja terbaik?"
"Bahkan kriteria 'terbaik' adalah jelas, karena salah satu tidak membayar untuk limbah panas," lanjut James. "Sungguh, kita harus memikirkan kembali dari prinsip-prinsip dasar termodinamika konversi energi pada perbedaan suhu yang kecil."
sumber : http://www.livescience.com/16790-magnetic-metals-heat-electricity-nsf-bts.html
Tidak ada komentar:
Posting Komentar