Dünyada üretilen enerjinin yaklaşık %60'ı "atık ısı" olarak kaybolmaktadır. Bir otomobilin motorunda yanan yakıtın sadece üçte biri harekete dönüşürken, geri kalanı egzoz ve radyatörden ısı olarak havaya karışır. Peki, ya bu ısıyı tekrar elektriğe dönüştürebilseydik? İşte Termoelektrik Malzemeler, hiçbir hareketli parçası olmadan, sadece sıcaklık farkını kullanarak elektrik üreten teknolojisiyle bu sorunun cevabıdır.
Termoelektrik jeneratörlerin (TEG) kalbinde "Seebeck Etkisi" yatar. Bu etki, 1821 yılında Thomas Johann Seebeck tarafından keşfedilmiştir.
Mekanizma: Bir termoelektrik malzemenin bir ucu ısıtılıp diğer ucu soğuk tutulduğunda, malzemenin içindeki elektronlar (veya "deşikler") sıcak taraftan soğuk tarafa doğru kaçışır. Bu hareket, uçlar arasında bir voltaj farkı yaratır ve bir devreye bağlandığında elektrik akımı oluşur.
Basitçe: Isı farkı = Elektrik akımı.
Her metal ısıtıldığında elektrik üretmez. Verimli bir dönüşüm için malzemenin iki zıt özelliğe aynı anda sahip olması gerekir:
Yüksek Elektriksel İletkenlik: Elektronların rahatça akabilmesi için.
Düşük Isısal İletkenlik: Sıcak tarafın hemen soğumaması ve sıcaklık farkının korunması için. Bu zorlu kombinasyonu sağlayan malzemeler genellikle yarı iletkenlerdir:
Bizmut Tellür (Bi2Te3): Oda sıcaklığına yakın uygulamalar (buzdolapları, giyilebilir teknolojiler) için en yaygın kullanılan malzemedir.
Kurşun Tellür (PbTe): Otomobil egzozları gibi orta sıcaklıklar (500-600 derece) için idealdir.
Silisyum-Germanyum (SiGe): Çok yüksek sıcaklıklara dayanıklıdır, genellikle uzay teknolojilerinde kullanılır.
A. Uzay Görevleri (RTG Sistemleri) Güneşin ulaşamadığı derin uzayda güneş panelleri çalışmaz. Voyager uzay sondaları ve Mars gezginleri (Curiosity, Perseverance), nükleer bozunmadan kaynaklanan ısıyı elektriğe çeviren termoelektrik jeneratörler (RTG) sayesinde on yıllardır çalışmaktadır.
B. Endüstriyel Atık Isı ve Otomotiv Fabrika bacaları ve çelik dökümhaneleri devasa ısı kaynaklarıdır. Bu yüzeylere kaplanan TEG modülleri, fabrikanın aydınlatma enerjisini bedavaya getirebilir. Ayrıca otomobil üreticileri, egzoz borusuna entegre ettikleri termoelektrik sistemlerle alternatörün yükünü hafifletip yakıt tasarrufu sağlamayı hedeflemektedir.
C. Giyilebilir Teknoloji (Vücut Isısı) Geleceğin akıllı saatleri veya sağlık sensörleri pil şarjına ihtiyaç duymayabilir. Vücut ısımız (37 derece) ile dış ortam arasındaki sıcaklık farkını kullanan esnek termoelektrik kumaşlar, cihazları sürekli şarj edebilir.
Termoelektrik malzemelerin verimliliği "ZT" adı verilen bir katsayı ile ölçülür. Günümüzde ticari malzemelerin ZT değeri 1 civarındadır, bu da yaklaşık %5-7 verimlilik demektir.
Maliyet Sorunu: Bizmut ve Tellür gibi elementler nadir ve pahalıdır.
Hedef: Bilim insanları nanoteknoloji kullanarak (nanoteller ve süperörgüler ile) elektronların geçişine izin veren ama ısının geçişini engelleyen yapılar tasarlayarak ZT değerini 2 ve üzerine çıkarmaya çalışmaktadır.
Termoelektrik malzemeler, dev türbinlere veya buhar kazanlarına ihtiyaç duymadan sessizce enerji üretmenin en zarif yoludur. Verimlilikleri henüz termik santrallerle yarışamasa da, "atık" olarak gördüğümüz ısıyı "değere" dönüştürme potansiyelleri, onları sürdürülebilir bir geleceğin vazgeçilmez bir parçası yapmaktadır.
