Atık ısıyı elektriğe dönüştüren silikon nanotüp geliştirildi

Yapay zeka veri merkezleri, elektrikli araç bataryaları ve büyük ölçekli sanayi tesislerinde ortaya çıkan atık ısı, enerji verimliliği açısından en önemli sorunlardan biri olmaya devam ediyor. Sunucuların, batarya sistemlerinin ve üretim hatlarının çalışması sırasında açığa çıkan ısının büyük bölümü, kullanılmadan çevreye salınıyor. Bu ısının termoelektrik cihazlar aracılığıyla yeniden elektriğe dönüştürülmesi uzun süredir araştırılıyor. Ancak mevcut termoelektrik malzemelerde kullanılan bizmut ve tellür gibi elementlerin nadir, pahalı ve tedarik zinciri açısından riskli olması, teknolojinin yaygınlaşmasını zorlaştırıyor. Güney Kore’deki Pohang Bilim ve Teknoloji Üniversitesi araştırmacıları, bu soruna silikon tabanlı yeni bir çözüm geliştirdi. Ekip, katı silikon yapılar yerine içi boş silikon nanotüpler kullanarak, ucuz ve bol bulunan silikonu daha verimli bir termoelektrik malzemeye dönüştürmeyi başardı.

 

SİLİKONUN ZAYIF YÖNÜ AŞILDI
Silikon, yarı iletken sanayisinin temel malzemesi olmasına rağmen, ısıyı kolay ilettiği için termoelektrik uygulamalarda verimsiz kabul ediliyordu. Termoelektrik sistemlerde amaç, ısının hızla yayılmasını önleyerek sıcaklık farkını korumak ve bu farktan elektrik üretmek. POSTECH’ten Prof. Chang-Ki Baek ve doktora adayı Ki Yeong Kim liderliğindeki ekip, silikonun nano ölçekteki yapısını değiştirerek bu soruna çözüm aradı. Araştırmacılar, geleneksel katı silikon nanotel tasarımları yerine içi boş silikon nanotüp mimarisi geliştirdi. Laboratuvar testlerinde, bu içi boş tüplerin katı tellere kıyasla termal iletkenliği yüzde 70 oranında azalttığı görüldü. Araştırmacılar iki yapıyı aynı yüzey alanına sahip olacak şekilde karşılaştırdığında da nanotüp yapısının yüzde 33 daha düşük ısı iletimi sağladığı belirlendi.

 

ISI TİTREŞİMLERİ NANOTÜPTE HAPSOLDU
Çalışmanın merkezinde, katı maddelerde ısıyı taşıyan atomik titreşimlerin kontrol edilmesi yer alıyor. Fonon olarak adlandırılan bu titreşimler, katı silikon tellerde daha serbest hareket ederek ısının hızla yayılmasına neden oluyor. İçi boş nanotüp yapısında ise fononların hareketi sınırlandırılıyor. Araştırmacılar, bu yapıda “fonon lokalizasyonu” olarak bilinen etkinin ortaya çıktığını belirledi. Bu etki sayesinde ısı enerjisi belirli bölgelerde hapsoluyor ve malzeme boyunca daha zor ilerliyor. Böylece silikonun termoelektrik uygulamalar için dezavantaj oluşturan yüksek ısı iletkenliği önemli ölçüde düşürülmüş oluyor.

 

ODA SICAKLIĞINDA ÇALIŞABİLEN YAPI
Fonon lokalizasyonunun daha önce çoğunlukla mutlak sıfıra yakın düşük sıcaklıklarda veya karmaşık malzeme sistemlerinde elde edilebileceği düşünülüyordu. POSTECH ekibi ise bu etkinin basit bir silikon nanotüp yapısıyla oda sıcaklığında da ortaya çıkarılabileceğini gösterdi. Bu bulgu, termoelektrik malzemelerin yalnızca özel laboratuvar koşullarında değil, pratik endüstriyel ortamlarda da daha verimli hale getirilebileceğini ortaya koyuyor. Oda sıcaklığında çalışan silikon tabanlı yapı, özellikle veri merkezleri, batarya sistemleri ve fabrika hatlarında oluşan düşük ve orta sıcaklıktaki atık ısının geri kazanımı açısından önem taşıyor.

 

MEVCUT ÇİP ÜRETİM HATLARIYLA UYUMLU
Teknolojinin öne çıkan yönlerinden biri, mevcut yarı iletken üretim altyapısıyla uyumlu olması. Silikon, çip üretiminde yaygın olarak kullanıldığı için yeni nanotüp yapıların mevcut wafer süreçlerine entegre edilmesi mümkün görülüyor. Araştırma ekibi, bu yapının mevcut çip fabrikalarında üretilebilecek nitelikte olduğunu belirtiyor. Böylece nadir ve pahalı metallere bağımlı olmayan, daha öngörülebilir maliyet yapısına sahip bir termoelektrik üretim modeli ortaya çıkabilir. Bu uyumluluk, teknolojinin ticarileşme sürecini hızlandırabilecek önemli bir avantaj olarak değerlendiriliyor. Mevcut üretim hatlarının büyük ölçüde korunabilmesi, yeni malzeme teknolojisinin sanayiye aktarılmasını kolaylaştırabilir. 

 

ATIK ISI PAZARINDA YENİ KULLANIM ALANLARI
Silikon nanotüp teknolojisi, atık ısının elektriğe dönüştürülmesini hedefleyen termoelektrik cihazlar için yeni bir malzeme yaklaşımı sunuyor. Veri merkezlerinde sunuculardan, elektrikli araçlarda bataryalardan ve fabrikalarda egzoz gazlarından açığa çıkan ısı, bu tür sistemlerle yeniden değerlendirilebilir. Atık ısının geri kazanılması, işletmelerin enerji verimliliğini artırırken soğutma ve enerji maliyetlerini azaltma potansiyeli taşıyor. Özellikle yapay zeka veri merkezlerinin hızla büyüdüğü ve elektrikli araç üretiminin arttığı bir dönemde, termal yönetim teknolojilerine olan ihtiyaç daha da güçleniyor. POSTECH ekibinin geliştirdiği silikon tabanlı nanotüp yapısı, hem malzeme maliyeti hem de üretim uyumluluğu açısından termoelektrik teknolojilerin daha geniş ölçekte kullanılmasına yönelik önemli bir adım olarak öne çıkıyor.