Ապագայի էներգետիկ կայանքները, հնարավոր է, կկարողանան էլեկտրականություն արտադրել՝ չտաքանալով մինչև այնպիսի ջերմաստիճաններ, որոնց դեպքում սովորական նյութերը արագ մաշվում են, իսկ հենց կառուցվածքն էլ դառնում է ավելի բարդ և թանկ։ Սա կբացի ճանապարհ դեպի ավելի կոմպակտ և, հնարավոր է, ավելի երկարակյաց էներգամատակարարման համակարգեր՝ ջրածնային կայանքներից մինչև այն սարքեր, որոնց այսօր անհրաժեշտ են բարձր ջերմաստիճանային աշխատանքային պայմաններ։ Ճապոնիայի և այլ երկրների հետազոտողները հայտնաբերել են նյութ, որը թթվածնի իոնները լավ հաղորդում է արդեն 233°C ջերմաստիճանում, գրում է Nature Communications-ը։

Ինչու է ջերմաստիճանը կարևոր

Էլեկտրականություն ստանալու եղանակներից մեկը վառելիքային տարրերի օգտագործումն է։ Ի տարբերություն սովորական շարժիչի՝ դրանք վառելիքը չեն այրում մեխանիկական մասերը պտտեցնելու համար, այլ քիմիական էներգիան անմիջապես վերածում են էլեկտրականության։ Պինդօքսիդային վառելիքային տարրերում առանցքային դեր ունի էլեկտրոլիտը՝ հատուկ նյութ, որի միջով շարժվում են թթվածնի իոնները։ Որպեսզի այս գործընթացը բավական արագ ընթանա, նման սարքերը սովորաբար աշխատում են բարձր ջերմաստիճաններում։ Օրինակ՝ ցիրկոնիումի կայունացված երկօքսիդից պատրաստված էլեկտրոլիտով ավանդական համակարգերը նախատեսված են մոտավորապես 700–1000°C պայմաններում աշխատանքի համար։

Տաքացումը ժամանակ և էներգիա է պահանջում, իսկ մշտական ջերմային բեռնվածությունները լրացուցիչ պահանջներ են առաջացնում նյութերի և կառուցվածքի նկատմամբ։ Աշխատանքային ջերմաստիճանի նվազեցումը տեսականորեն թույլ է տալիս փոքրացնել այս բարդությունները, կրճատել մաշվածությունը և ընդլայնել վառելիքային տարրերի կիրառման հնարավորությունները։ Սակայն դրա համար բավարար չէ պարզապես գտնել նյութ, որը դիմանում է տաքացմանը։ Այն պետք է արագ հաղորդի անհրաժեշտ իոնները, մնա քիմիականորեն կայուն և էլեկտրական հոսանք չանցկացնի այնպես, որ խախտի սարքի աշխատանքը։

Նյութ, որը թթվածին է հաղորդում 233°C-ում

Հետազոտության կենտրոնում բիսմութից, տելուրից, լանթանից, թթվածնից և բրոմից կազմված միացությունն է՝ Bi₁.₉Te₀.₁LaO₄.₀₅Br բանաձևով։ Այն պատկանում է շերտավոր օքսիհալոգենիդների դասին՝ նյութերի, որոնց բյուրեղային կառուցվածքում տարբեր կազմ ունեցող շերտերը հերթափոխվում են։ 233°C ջերմաստիճանում նյութը ցուցադրել է 0,01 սիմենս մեկ սանտիմետրի վրա ծավալային իոնային հաղորդականություն։ Սա կարևոր ցուցանիշ է․ այն ցույց է տալիս, թե որքան հեշտ են իոնները անցնում նյութի ներքին կառուցվածքով։

Համեմատության համար՝ ցիրկոնիումի կայունացված երկօքսիդի հիմքով ավանդական էլեկտրոլիտը հաղորդականության համադրելի մակարդակի է հասնում մոտ 644°C-ում, իսկ LSGM նյութը՝ 534°C-ում։ Այլ կերպ ասած՝ նոր միացությունը թույլ է տալիս նման ցուցանիշի հասնել էապես ավելի ցածր ջերմաստիճանի պայմաններում։ Սա դեռ չի նշանակում, որ դրա հիմքով պատրաստված պատրաստի վառելիքային տարրը կկարողանա նույն բնութագրերով փոխարինել առկա համակարգերին։ Բայց արդյունքը ցույց է տալիս, որ հեռանկարային էլեկտրոլիտ կարելի է որոնել այն նյութերի շարքում, որոնք արդյունավետորեն հաղորդում են թթվածնի իոնները առանց ծայրահեղ տաքացման։

Անակնկալ բացատրություն․ իոնները շարժվում են դատարկ տեղերով

Հատուկ հետաքրքրություն է ներկայացնում ոչ միայն արդյունքը, այլև այն, թե կոնկրետ ինչպես է թթվածինը տեղաշարժվում նոր նյութի ներսում։ Բյուրեղներում իոնները գտնվում են որոշակի դիրքերում, որոնք կազմում են կարգավորված կառուցվածք։ Իոնի տեղաշարժման համար անհրաժեշտ է, որ հարևան դիրքում ազատ տեղ լինի։ Այդպիսի չզբաղեցված դիրքերը կոչվում են թթվածնային թափուրություններ։

Կարելի է պատկերացնել դահլիճում աթոռների շարք․ մարդը չի կարող տեղափոխվել հարևան տեղը, եթե այն զբաղված է։ Բայց եթե մեկ աթոռ ազատ է, նա տեղափոխվում է այնտեղ, իսկ իր նախկին տեղը դառնում է ազատ։ Անցումների նման հաջորդականությունն է, որ թույլ է տալիս իոններին շարժվել բյուրեղի միջով։

Թթվածնի ավելցուկ ունեցող նյութերում հետազոտողները կարող էին ակնկալել, որ կարևոր դեր կխաղա մեկ այլ մեխանիզմ՝ լրացուցիչ թթվածնային իոնների տեղաշարժը բյուրեղային ցանցի սովորական դիրքերի միջև։ Սակայն չափումները և համակարգչային մոդելավորումը ցույց տվեցին, որ ուսումնասիրված միացությունում թթվածնի հեռահար տեղափոխությունը հիմնականում տեղի է ունենում թափուրությունների միջոցով։

Հաշվարկները ցույց տվեցին, որ այդ մեխանիզմի համար էներգետիկ արգելքը կազմում է 0,43 էլեկտրոնվոլտ, մինչդեռ լրացուցիչ թթվածնային իոնների մասնակցությամբ այլընտրանքային մեխանիզմի համար՝ 0,74 էլեկտրոնվոլտ։ Որքան ցածր է այս արգելքը, այնքան մասնիկների համար ավելի հեշտ է տեղաշարժվել տվյալ ջերմաստիճանում։

Հեղինակների կարծիքով՝ կարևոր դեր է խաղում հենց նյութի շերտավոր կառուցվածքը։ Այն ստեղծում է պայմաններ, որոնցում թթվածնի իոնները կարող են համեմատաբար հեշտ տեղաշարժվել բյուրեղի որոշակի շերտերի ներսում։

Ինչու է սա կարևոր գործնական կիրառման համար

Բարձր հաղորդականությունն ինքնին դեռ չի դարձնում նյութը պիտանի էներգետիկ սարքավորումների համար։ Էլեկտրոլիտը պետք է պահպանի իր հատկությունները տարբեր գազային միջավայրերում և չքայքայվի աշխատանքի պայմանների փոփոխության դեպքում։

Հետազոտողները նոր նյութը ստուգել են օքսիդացնող և վերականգնող մթնոլորտներում, խոնավ և չոր միջավայրում, ինչպես նաև ածխաթթու գազի առկայության դեպքում։ Ուսումնասիրված պայմաններում միացությունը պահպանել է քիմիական կայունությունը, և քիմիական ազդեցության հետևանքով դրա ծավալի նկատելի փոփոխություն նույնպես չի դիտվել։

Սա կարևոր է վառելիքային տարրերի համար, որտեղ սարքի տարբեր մասերը շփվում են տարբեր գազերի հետ։ Էլեկտրոլիտը պետք է ապահովի թթվածնի իոնների տեղափոխումը՝ առանց աշխատանքային միջավայրի հետ շփման դեպքում իր հատկությունները կորցնելու։

Հեղինակները նաև պարզել են, որ լիցքի փոխանցումը հիմնականում կապված է հենց թթվածնի իոնների, այլ ոչ թե էլեկտրոնների կամ պրոտոնների հետ։ Վառելիքային տարրի էլեկտրոլիտի համար սա սկզբունքային նշանակություն ունի․ նյութը պետք է հաղորդի անհրաժեշտ իոնները, բայց չստեղծի էլեկտրոնային հոսանքի անցանկալի ուղի հենց էլեկտրոլիտի միջով։

Միևնույն ժամանակ մշակմանն առնչվում է կարևոր սահմանափակում։ Գործնականում դիմադրություն է ստեղծում ոչ միայն բյուրեղը, այլև նյութի առանձին հատիկների միջև եղած սահմանները։ Այդ պատճառով ամբողջ նմուշի չափված հաղորդականությունը կարող է ավելի ցածր լինել, քան դրա ներքին կառուցվածքի հաղորդականությունը։ Որպեսզի միացությունը հնարավոր լինի օգտագործել իրական սարքում, գիտնականներին դեռ պետք է օպտիմալացնեն կերամիկայի կառուցվածքը, հատիկների չափերը և նյութի խտությունը։

Լաբորատոր արդյունքից դեպի ապագայի էներգետիկա

Հետազոտությունը չի սահմանափակվում մեկ միացությամբ․ գիտնականներն ուսումնասիրել են նաև այլ հարակից օքսիբրոմիդներ և օքսիյոդիդներ, որոնց մի մասն էլ ցույց է տվել թթվածնի իոնների նկատելի հաղորդականություն։ Սա թույլ է տալիս աշխատանքը դիտարկել ոչ միայն որպես մեկ հաջող նյութի որոնում, այլև որպես պոտենցիալ էլեկտրոլիտների մի ամբողջ ընտանիք նախագծելու միջոց։

Եթե հետագա փորձարկումները հաստատեն նման նյութերի արդյունավետությունն ու երկարակեցությունը լիարժեք սարքերի կազմում, ապա աշխատանքային ջերմաստիճանի նվազեցումը կարող է հեշտացնել վառելիքային տարրերի ստեղծումը ստացիոնար էներգամատակարարման և այլ խնդիրների համար, որտեղ կարևոր են կայուն աշխատանքն ու տաքացման պահանջների նվազեցումը։

Սակայն գործնական ներդրումից առաջ դեռ պետք է անցնել ճանապարհ՝ լաբորատոր չափումներից մինչև ինժեներական օպտիմալացում և պատրաստի համակարգերի փորձարկում։ Առայժմ հետազոտողների գլխավոր ձեռքբերումը այն է, որ նրանք ցույց են տվել՝ թթվածնի իոնների բարձր հաղորդականությունը հնարավոր է շատ ավելի ցածր ջերմաստիճանում, ինչպես նաև բացահայտել են այն մեխանիզմը, որն օգնում է հասնել այդ արդյունքին։