計算モデルがより効率的なエネルギーシステムへの道を開く(Computational Model Paves the Way for More Efficient Energy Systems)

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2023-08-24 スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)

◆私たちの日常のエネルギーの70%が無駄にされる中、スイスのEPFL工学部の研究者が、熱電変換の効率を高める重要な理論的進展を達成。THEOS研究室の計算ワークが、熱電変換技術の基本理論を解明し、効果的な材料選定と迅速で費用効果の高い新材料開発を可能にしました。
◆この進展は環境にやさしい経済と持続可能な未来に寄与する可能性があります。熱電デバイスは廃熱を電力に変換する有望技術で、輸送や発電所などの産業で注目されています。しかし、熱伝導の基本理論不足が効率向上を妨げており、計算物理学を活用した新モデルが、熱電材料の振る舞いと熱伝導を解明。新しいモデルは、低熱伝導率材料の設計を高コストの試験なしで可能にし、エネルギー効率の高い経済の実現に近づける可能性があります。

<関連情報>

熱電スクッテルダイトにおけるボルツマン熱輸送からウィグナー熱輸送へのクロスオーバー Crossover from Boltzmann to Wigner thermal transport in thermoelectric skutterudites

Enrico Di Lucente, Michele Simoncelli, and Nicola Marzari
Physical Review Research  Published 23 August 2023
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.5.033125

Figure 1

ABSTRACT

Skutterudites are crystals with a cagelike structure that can be augmented with filler atoms (“rattlers”), usually leading to a reduction in thermal conductivity that can be exploited for thermoelectric applications. Here, we leverage the recently introduced Wigner formulation of thermal transport to elucidate the microscopic physics underlying heat conduction in skutterudites, showing that filler atoms can drive a crossover from the Boltzmann to the Wigner regimes of thermal transport, i.e., from particlelike conduction to wavelike tunneling. At temperatures where the thermoelectric efficiency of skutterudites is largest, wavelike tunneling can become comparable to particlelike propagation. We define a Boltzmann deviation descriptor able to differentiate the two regimes and relate the competition between the two mechanisms to the materials’ chemistry, providing a design strategy to select rattlers and identify optimal compositions for thermoelectric applications.

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