مقادیر زیادی گرما از طریق تولید صنعتی تولید و از دست می رود. چه می شد اگر بتوانیم آن گرما را جذب کنیم و از آن به عنوان نوعی انرژی استفاده کنیم؟ گوردون پترسون در حال تحقیق در مورد موادی است که می تواند به تولید برق از گرمای اتلاف کمک کند تا بخش مهمی از کربن زدایی شود. پس از اخذ دکتری در شیمی مواد از دانشگاه ویسکانسین در سال 2020. پیترسون محقق پسادکتری در دانشگاه هیوستون شد. او در پاییز 2022 به عنوان عضو ماریا گوپرت مایر در بخش علوم مواد به آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) ملحق می شود.
کمک هزینه تحصیلی ماریا گوپرت مایر یک جایزه بین المللی است که به دانشجویان و مهندسان برجسته دکترا اعطا می شود تا به آنها کمک کند تا شغل خود را در محیط تحقیقاتی پر تاثیر آرگون توسعه دهند. این بورسیه از ماریا گوپرت مایر، فیزیکدان نظری که در سال 1963 جایزه نوبل فیزیک را به خاطر کارش در آرگون در ارائه یک مدل ریاضی برای ساختار پوشش های هسته ای هسته اتم، برنده شد، تجلیل می کند. این کمک هزینه تحصیلی به دانشمندان در مراحل اولیه شغلی این فرصت را می دهد که با حمایت یک حامی مالی و حداکثر سه سال بودجه، مسیرهای تحقیقاتی خود را دنبال کنند. در اینجا، پیترسون در مورد حرفه و تجربه خود در این برنامه صحبت می کند.
“تحقیقات مختلفی در علم مواد برای کار بر روی کربن زدایی در حال انجام است، و من فکر می کنم ترموالکتریک بخش مهمی از حل این مشکل خواهد بود.” – گوردون پترسون، همکار ماریا گوپرت مایر
س: تمرکز تحقیقاتی شما در Argonne چیست؟
آ: من روی موادی به نام ترموالکتریک کار می کنم که اجزای حیاتی دستگاه هایی هستند که از گرما برق تولید می کنند. برخی از ژنراتورهای ترموالکتریک در حال حاضر به عنوان منبع انرژی جایگزین استفاده می شوند. به عنوان مثال، ناسا از یک گونه استفاده می کند ترموالکتریک ژنراتور برای تامین انرژی کاوشگر در فضایی که نمی توانیم به انرژی خورشیدی یا باتری ها” href=”http://www.anl.gov/science-101/باتری ها” target=”_blank”>باتری ها. در عوض، ژنراتور گرمای آزاد شده را در طی واپاشی ثابت عنصر رادیواکتیو مانند پلوتونیوم برای تولید برق و تامین انرژی کاوشگر جمع آوری می کند. یک چیز خوب در مورد ترموالکتریک ها – به ویژه در فضا – این است که آنها قطعات متحرک ندارند، که خطر نیاز به تعمیر یا تعویض تجهیزات را کاهش می دهد.
سوال: چرا ترموالکتریک ها بیشتر مورد استفاده قرار نمی گیرند؟
آ: کاربردهای نظری زیادی برای ژنراتورهای ترموالکتریک وجود دارد. برای مثال، می‌توانیم تصور کنیم که انرژی گرمایی از دست رفته در طول تولید صنعتی را بازیابی کنیم یا از گرمای بدن خود برای تامین انرژی یک دستگاه کوچک استفاده کنیم. متأسفانه، مواد پیشرفته فعلی اغلب حاوی فلزات سمی یا گران قیمتی مانند سرب، تلوریم و نقره هستند. بنابراین افزایش تولید دستگاه هایی که از این عناصر در اجزای خود استفاده می کنند یک چالش است.
هدف از بورس تحصیلی من طراحی مواد ترموالکتریک است که هم کارآمدتر و هم از نظر زیست محیطی پایدار باشد. من این کار را از طریق آنچه طراحی هم افزایی می نامم انجام می دهم. اخیراً سعی کرده‌ام درک بهتری از نحوه چیدمان اتم‌ها در برخی از معروف‌ترین ترموالکتریک‌ها داشته باشم تا بفهمم ساختار این مواد چگونه می‌تواند به ما در ایجاد خواص بهتر کمک کند.
س: طراحی هم افزایی چیست؟
آ: با طراحی هم افزایی سعی می کنم ترکیب کنم فراگیری ماشین و شبیه سازی کامپیوتری با سنتز، فرآیند فیزیکی ساخت مواد در آزمایشگاه. در چند سال آینده، می‌خواهم کشف کنم که چگونه مدل‌سازی می‌تواند به من کمک کند بهترین مواد را برای ساختن در آزمایشگاه انتخاب کنم، و چگونه داده‌های جدیدی که از آزمایش‌ها به دست می‌آورم می‌تواند به ساخت مدل‌های قوی‌تر کمک کند. امیدوارم این رویکردها به من کمک کند ترموالکتریک های جدیدی پیدا کنم که کارآمد و سازگار با محیط زیست هستند.
نکته ای که باید از آن آگاه بود این است که خواص ترموالکتریک هم به ساختار کریستالی و هم به ترکیب عنصری ماده بسیار حساس است، بنابراین چالش بزرگ در حال حاضر درک روابط بین ساختار، ترکیب و خواص است. شبیه سازی کامپیوتری یک ابزار واقعا مفید برای آزمایش این است. من استفاده کرده ام خوشه محاسباتی با کارایی بالا کربن در مرکز مواد نانومقیاس Argonne (یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE) برای بررسی خواص برخی از مواد مورد علاقه من.
س: چرا بورسیه تحصیلی ماریا گوپرت مایر را دوست داشتید؟
آ: تجربه زیادی در انجام کارهای سنتز، محاسباتی و فراگیری ماشینبنابراین فکر کردم که این کمک هزینه تحصیلی راه بسیار خوبی برای تلاش برای کشف اینکه چگونه می توانم همه این مهارت ها را در حین همکاری با دانشمندانی که دانش عمیقی در مورد هر یک از این بخش ها دارند، ترکیب کنم، باشد.
من همچنین علاقه مند به استفاده از تحقیقاتم در اقتصاد انرژی پایدار بودم. تحقیقات مختلف زیادی در علم مواد برای کار بر روی کربن زدایی در حال انجام است، و من فکر می کنم ترموالکتریک بخش مهمی از حل این مشکل خواهد بود. قبل از آرگون، من کارهای زیادی روی مواد با ساختارها و ترکیبات پیچیده انجام داده بودم، بنابراین کشف چگونگی به کار بردن این دانش در ترموالکتریک شبیه یک بسط طبیعی چیزی بود که روی آن کار می کردم. همچنین، مواد زیادی وجود دارد که هنوز کشف نشده است، و پیدا کردن آن بسیار سرگرم کننده است.
س: دوست دارید خارج از محل کار چه کار کنید؟
آ: من و نامزدم و سگم برای گردش در محله مان می رویم و عاشق سفر و کمپینگ هستیم. یکی از سرگرمی‌های اصلی من، فریزبی نهایی است، که راهی عالی برای ملاقات با مردم در شیکاگو خارج از آزمایشگاه است.
س: چه توصیه ای برای افراد علاقه مند به حرفه شما دارید؟
آ: من فکر می‌کنم یکی از سخت‌ترین کارهایی که می‌توان در اوایل کار خود انجام داد، این است که بفهمید در کجای جامعه علمی قرار می‌گیرید. وقتی برای بورسیه درخواست دادم، سعی کردم به این فکر کنم که نقاط قوت و مهارت هایم چیست و چگونه می توانم آنها را در پروژه ای که برایم منطقی بود ترکیب کنم. همچنین، من فکر می‌کنم که مردم گاهی اوقات برای کمک گرفتن دچار تردید می‌شوند، اما همه با پیشرفت در حرفه‌شان به حمایت نیاز خواهند داشت. در تجربه من، اکثر مردم مایل به کمک هستند – تنها کاری که باید انجام دهید این است که بپرسید.
