Zvětšit obrázek

Orest Symko předvádí, jak teplo z plynového hořáku, je-li nasměrováno na přepážku v trubici, přemění se na zvuk. (Credit: University of Utah)

Přeměna tepla na zvuk nic světoborného není. Umí se to už celé desetiletí. Zařízením, která to dokáží, se říká akustické tepelné stroje. Nyní přišli vědci s nápadem, jak z tepla vyrobený randál zužitkovat a přeměnit jej na elektrický proud.

Většina zařízení k zužitkování tepla byla dosud velká, nebo málo efektivní. Tento hendikep je předem vyřazoval z použití v počítačích a jim podobných malých přístrojích.

Zvětšit obrázek

Scott Backhaus. Zatímco v Utahu tvrdí, že mají zařízení o délce 11 až 18 centimetrů, která dosahují 40% energetické účinnosti klasických vznětových a zážehových motorů. Scott Backhaus, odborník na termoakustiku z Los Alamos National Laboratory, vyslovuje pochybnosti. Backhaus tvrdí, že také pracoval na některých aplikacích tohoto zařízení, ale že se mu účinnosti blížící se hodnotě 40%, nikdy dosáhnout nepodařilo.

Nejmenší tepelné akustické zařízení, které se Američanům nyní podařilo vyrobit, má délku 1,8mm. Pokud se tyto miniaturní stroje spojí do větších celků, jsou schopny produkovat 1 watt elektrické energie z každého centimetru krychlového objemu využitého prostoru. Symko je přesvědčen, že tyto prvky bude možno spojovat a ve formě prefabrikovaných buněk z nich sestavovat nový typ solárních panelů.   

Vědec chce do roka také vyřešit spojování jednotlivých miniaturních zařízení do větších celků a zahájit jejich hromadnou výrobu.

Pokud by všechno šlo dobře, nemuselo by to trvat dlouho a budeme tu mít nový typ strojů, které budou schopny  z klasických zdrojů – plynu a uhlí, produkovat elektrickou energii.

Většina tepelně elektrických zařízení využívajících zvukové vlny, kterou Symko v laboratoři vyrobil, je zabudována do trubkových rezonátorů, jejichž velikost je zhruba taková, že nám „padnou“ do ruky. Každá z těchto trubek (rezonátorů) obsahuje oddíl s velkým počtem malých prvků, které jsou zhotoveny tak, aby měly velký povrch. Tvoří je například plátky kovu, nebo vlákna z kovu a nebo ze skla.

Zvětšit obrázek

Symko demonstruje jak teplo ze žhavící spirály napájené z baterie se malém tepelném stroji mění na slyšitelný zvuk a ten po přeměně na elektrickou energii rosvěcuje červenou žárovičku. (Credit: University of Utah)

Dokonce se může jednat jen o vlákna z bavlny. Tato přepážka rozděluje trubku na studeno - horký  a horko - teplý výměník. 

Když se do takto přepažené trubky zavede plamen, nebo se v ní zapojí topné tělísko, vyvolá to na straně výstupu teplého vzduchu akustické vlny. Trubka začne vyluzovat tóny. Stane se z ní tak trochu flétna nebo varhanní píšťala. Dlouhé rezonační trubky vyluzují hluboké tóny, ty nejkratší zase piští.

Na jedné straně tedy do trubky vkládáme teplo a na výstupu máme zvuk. Teď přicházíme k té geniálně prosté myšlence - přeměně vzniklého rambajzu pomocí piezoelektrického jevu na elektřinu.
Tento princip má celou řadu předností. Zatímco u klasických benzínových nebo naftových motorů se při jejich výrobě musí bazírovat na přesnosti, dbát aby vše přesně k sobě lícovalo, u výroby těchto píšťal se z nějaké té menší nepřesnosti nestřílí. Symko tvrdí, že zařízení dokonce ani nenemusí znepříjemňovat své okolí rušivým hlukem. K zajištění tichosti provozu těchto strojů prý lze volit hned několik cest. Stačí patřičně zkrátit rezonátor a celé zařízení začne pracovat v oblasti ultrazvuku. Ten, jak známo, je pro lidské ucho neslyšitelný. Druhým způsobem, jak omezit nepříjemné akustické „smetí“ spočívá v zatížení celého zařízení. Jakmile z něj začneme odebírat elektrický proud, produkovaný randál významně klesá. A konečně poslední způsob, kterého lze využít, je obalení stroje protihlukovou izolací.

Několik technických údajů
Stroji o délce necelé čtyři centimetry a šířce něco málo přes jeden centimetr, stačí k produkci zvuku teplotní rozdíl mezi studenou a teplou částí výměníku jen 32 stupňů Celsia. Některé stroje produkují zvuk, jež dosahuje hladiny 135 decibelů. To je více, než vydává pneumatické kladivo.

Zvětšit obrázek

S takovýmto miniaturním tepelně akustickým strojem Synkos počítá, že bude zajišťovat chlazení v počítačích a z odpadního tepla vyrábět elektrický proud. (Credit: University of Utah)

Zvyšováním tlaku v rezonátoru lze ze stejného zařízení dostat více rámusu a tím také více elektřiny. Pokud rezonátor pracuje se zvýšeným tlakem, stačí menší teplotní rozdíl k tomu, aby zařízení začalo pracovat a rozezvučelo se. To je velmi podstatné zjištění, především pro výrobce elektroniky, protože počítače a jim podobné přístroje, většinou produkují jen malé množství odpadního tepla. Podle autora objevu ale i notebooky produkují dost tepla na to, aby se toto zařízení využilo k jejich chlazení a tím i jako zdroj dodatečného proudu.
Aby mohlo dojít k efektivní přeměně zvuku na elektřinu, musí být jednotlivá zařízení párována.To proto, aby produkované zvukové vlny byly o stejné frekvenci a aby vibrace byly synchronní.

Zvětšit obrázek

Teoreticky se s takovým zařízením budeme moci v Brdech brzo setkat. Symko totiž hodlá do jednoho roku dokazovat výhodnost tohoto zařízení při zužitkování odpadního tepla na vojenských radarech.

Nejnovější výzkum těchto strojů ukázal, že na výkon zařízení má významný vliv tvar rezonátoru. Pokud má zařízení tvar kruhový, je dvakrát tak efektivní, než když je rezonátor obyčejná rovná trubka. To je dáno tím, že tlak a rychlost proudění vzduchu v kruhově tvarovaném prostoru je většinou synchronní.

Na výzkumném projektu se pod vedením profesora Symko podílí také studenti. Jedné ze studentek se podařilo vytvořit tak malé zařízení, že je jen o polovinu širší, než je tlouštka mince zvané americký cent. Výkon tohoto miniaturního stroje je přesto obdivuhodný. Po zahřátí produkuje zvuk o síle 120 decibelů!  To je zvuk, jakým ječí sirény a nebo pro který si chodíme na rockové koncerty. Je to jedno z nejmenších termoakustických zařízení, které kdy bylo vyrobeno a to zřejmě ještě není konečná hranice. Nicotné rozměry a vysoký výkon otevírají těmto strojům cestu k jejich masové produkci a k jejich širokému využití. Někteří fyzikové hovoří o technologii vysoce efektivních elektráren, automobilech, jejichž chladiče vyrábí proud, elektrických přístrojích zužitkovávajících i ta nejmenší množství odpadního tepla, o nové generaci solárních článků,...

Pramen: University of Utah