Zakaždým, keď niekto zadá otázku umelej inteligencii, v serverovni dátového centra vznikne teplo. Akumulátory elektromobilov sa zahrievajú pri každej jazde. Továrne vypúšťajú obrovské množstvá horúceho vzduchu priamo do atmosféry.

Odpadové teplo patrí k najrozšírenejším a zároveň najmenej využívaným zdrojom energie na svete.

Konštruktéri sa dlhé roky pokúšajú toto teplo zachytiť a premeniť ho späť na elektrinu pomocou tzv. termoelektrických zariadení. Sú to prístroje, ktoré využívajú teplotný rozdiel medzi dvoma povrchmi na výrobu elektrického napätia.

Problém je v materiáloch: najúčinnejšie termoelektrické látky obsahujú bizmut a telúr. To sú však vzácne a drahé prvky a navyše sú závislé od nestabilných dodávateľských reťazcov.

Kremík by bol ideálna alternatíva, pretože je lacný, je ho veľa a je plne kompatibilný s existujúcou polovodičovou výrobou. Má však zásadnú slabinu: teplo ním prechádza príliš rýchlo.

Tím profesora Chang-Ki Baeka z Univerzity vedy a technológií v Pohangu (POSTECH) v Južnej Kórei tento problém vyriešil – zmenil totiž geometriu na nanometrickej úrovni.

Namiesto plných tyčinkových nanodrôtov skonštruovali duté kremíkové nanorúrky – mikroskopické rúrky s prázdnym vnútrom.

Tepelná vodivosť klesla o 70 %

Dutá geometria nanorúrok znížila tepelnú vodivosť o 70 % v porovnaní s plnými nanodrôtmi. Aj keď vedci v experimentoch nastavili obe štruktúry na rovnakú plochu povrchu, duté rúrky zostali o 33 % chladnejšie.

Tento rozdiel nie je náhoda – je to dôsledok fyzikálneho javu, ktorý sa nazýva lokalizácia fonónov.

Fonóny sú kvázičastice predstavujúce vibrácie atómovej mriežky – práve ich pohybom sa teplo šíri pevnými látkami.

V plnom nanodrôte sa pohybujú voľne – podobne ako vozidlá na prázdnej diaľnici. V dutej nanorúrke však narážajú na vnútornú stenu a zostávajú uväznené v určitých oblastiach štruktúry. Nedokážu sa totiž šíriť sa ďalej.

Tepelná energia sa zahradí a práve toto zahradenie je kľúčom k efektívnejšej termoelektrickej premene.

Lokalizácia fonónov sa doteraz považovala za jav, ktorý sa dá dosiahnuť len v extrémnych podmienkach, teda pri teplotách blízkych absolútnej nule alebo v mimoriadne zložito skonštruovaných materiáloch.

Tím z POSTECH-u preukázal, že rovnaký efekt sa dá dosiahnuť aj v relatívne jednoduchej nanorúrkovej štruktúre pri izbovej teplote. Ide o prvé experimentálne potvrdenie tohto javu za takýchto podmienok.

Kompatibilita s existujúcou výrobou

Kľúčovou výhodou objavu nie je len fyzikálny princíp, ale aj materiál, z ktorého je technológia postavená.

Kremík je základný stavebný prvok moderného polovodičového priemyslu. Výroba kremíkových nanorúrok by sa mohla integrovať do existujúcich výrobných procesov a nemusela by sa budovať žiadna nová infraštruktúra.

Termoelektrické zariadenia z kremíkových nanorúrok by sa mohli uplatniť v rôznych oblastiach. Dátové centrá, kde chladenie predstavuje jednu z najväčších nákladových položiek, by mohli odpadové teplo čiastočne premeniť späť na elektrinu.

Priemyselné prevádzky s vysokoteplotnými procesmi by mohli znížiť svoje energetické straty a elektromobily by mohli využívať teplo z akumulátorov na dobíjanie.

Mohlo by vás zaujímať

Technológie

6. júla 2026

Továreň, ktorá sa učí sama: Riadiť ju bude umelá inteligencia

Dlhá cesta k praktickému využitiu

Výskum je zatiaľ v štádiu laboratórneho prototypu. Kľúčovou výzvou zostáva tzv. termoelektrický faktor kvality ZT. Je to hodnota, ktorá kombinuje elektrickú vodivosť, Seebeckov koeficient a tepelnú vodivosť do jediného čísla, ktoré vyjadruje celkovú účinnosť termoelektrického materiálu.

Zníženie tepelnej vodivosti je dôležitý krok, no na komerčne konkurencieschopné zariadenie nestačí samo osebe: elektrickú vodivosť a Seebeckov koeficient treba optimalizovať tiež.

Práve táto súhra vlastností bola doteraz Achillovou pätou kremíkových termoelektrických prístrojov. Vedci z POSTECH-u naznačujú, že dutá geometria nanorúrok môže poskytnúť priestor aj na optimalizáciu elektrických vlastností. To si však vyžaduje ďalší výskum.

Odpadové teplo ľudstvo produkuje v obrovských množstvách a väčšinu z neho jednoducho vypúšťa do vzduchu. Kremíková nanorúrka z laboratória v juhokórejskom Pohangu je zatiaľ len malý krok. Ale v oblasti, kde každé percento efektivity znamená tisíce ton ušetrených emisií CO₂, stoja aj malé kroky za pozornosť.

Text: Zázračná planéta

Foto: Shutterstock