Terobosan Termoelektrik Mengubah Panas Menjadi Daya untuk Perangkat Pintar

Sebuah studi terbaru¹ oleh Dr. Fabian Garmroudi dan tim peneliti internasional membuka pintu bagi salah satu kemajuan paling signifikan dalam teknologi termoelektrik dalam beberapa dekade. Makalah tersebut menyelami studi tim tentang berbagai material dan bagaimana hal itu membawa mereka berhasil meningkatkan pemisahan termal dan listrik. Berikut yang perlu Anda ketahui.

Bagaimana Material Termoelektrik Mentransfer Panas

Termoelektrik unik dibandingkan bentuk materi lainnya. Dalam pengertian tradisional, energi panas ditransfer melalui pembawa muatan yang bergerak dan melalui getaran atom dalam kisi kristal. Yang terakhir menggambarkan ketika atom bergetar satu sama lain dengan hubungan fase yang sama.

Secara khusus, material yang dapat mentransfer panas dengan cepat disebut konduktor. Logam adalah contoh konduktor panas yang sangat baik. Jika Anda memanaskan batang logam dan menaruhnya di samping potongan logam lainnya, atom bermuatan dan getaran kisi akan dengan cepat mentransfer sebagian energi ke potongan lainnya. Secara khusus, intan murni adalah material yang memiliki konduktivitas termal tertinggi.

Apa Itu Material Termoelektrik dan Bagaimana Cara Kerjanya?

Material termoelektrik berbeda dari material tradisional karena mereka baik dalam menghantarkan listrik tetapi tidak dalam menghantarkan panas. Karena material ini buruk dalam mentransfer energi panas, mereka menjadi isolator termal yang sempurna.

Cara utama material termoelektrik melakukan tugas ini adalah dengan berusaha memisahkan transport muatan dan panas. Saat ini, material ini memainkan peran penting dalam elektronik canggih, pendinginan, dan aplikasi industri.

Sejarah Teknologi Termoelektrik: Dari Seebeck hingga Saat Ini

Perjalanan menuju pendinginan super cepat, pembekuan, dan elektronik kelas atas memiliki banyak titik awal. Pada tahun 1821, Thomas Johann Seebeck membuat penemuan mengejutkan. Ia mencatat bahwa logam tertentu menghasilkan arus listrik ketika mereka memiliki perbedaan suhu dan ditempatkan berdekatan.

Penemuan ini memimpin Jean Charles Athanase Peltier menunjukkan bahwa efek ini dapat menghasilkan pemanasan maupun pendinginan tergantung pada konfigurasi. Penemuan ini membuka jalan bagi material termoelektrik canggih dan proses manufaktur masa kini.

Material Termoelektrik Modern: Standar Industri Saat Ini

Material termoelektrik yang paling umum digunakan saat ini adalah bubuk abu-abu yang disebut bismut tellurida, Bi2Te3. Senyawa ini dibuat pada tahun 1950-an dan telah menjadi standar industri selama lebih dari 70 tahun terakhir. Saat ini, sistem berbasis Bi2Te3 adalah satu-satunya pilihan yang tersedia secara komersial.

Tantangan yang Dihadapi Material Termoelektrik Saat Ini

Situasi ini menyebabkan beberapa perlambatan dalam inovasi. Pertama, tellurium adalah mineral langka yang sulit dan mahal untuk diperoleh. Selain itu, material ini rapuh. Sifatnya yang mudah pecah dapat menyebabkan komponen mudah rusak.

Bagaimana Material Termoelektrik Dibuat: Tantangan Manufaktur

Kekurangan utama lain dari pendekatan ini adalah biayanya yang tinggi. Metode canggih yang diperlukan untuk merancang dan memproduksi material termoelektrik dengan konduktivitas termal yang sangat rendah tetap menjadi hambatan bagi adopsi lebih lanjut.

Menyelesaikan Masalah Transfer Listrik dalam Termoelektrik

Salah satu masalah utama adalah bahwa semua upaya sebelumnya yang melibatkan penghambatan transport panas yang dipicu oleh kisi mengurangi mobilitas pembawa muatan. Oleh karena itu, upaya tersebut sia-sia hingga baru-baru ini. Sekarang, tim peneliti kreatif percaya mereka telah menemukan kunci untuk menekan getaran kisi tanpa mengurangi transfer listrik.

Studi Terobosan Termoelektrik: Memisahkan Panas dan Muatan

Studi “Transport muatan dan panas yang terpisah dalam termoelektrik komposit Fe2VAl dengan jaringan batas butir topologis-isolator”, yang dipublikasikan di jurnal Nature Communications, memperkenalkan material hibrida, proses manufaktur baru, dan desain revolusioner untuk mencapai pemisahan termal dan listrik.

The team took a different approach than their predecessors in that they sought to integrate chemically and structurally distinct Bi1−xSbx as a secondary phase between Heusler grains. The process utilizes a process called liquid-phase sintering to integrate the archetypal topological insulator Bi1−xSbx between Fe2V0.95Ta0.1Al0.95 grains.

Sumber – Nature Communications

Pendekatan ini menghindari kompromi tradisional di mana upaya mengurangi transfer panas juga merusak mobilitas listrik.

Material Termoelektrik Hibrida Menggunakan Komposit Multiphase

Inti dari studi ini adalah penciptaan material hibrida. Komposit multiphase ini ideal untuk tugas tersebut karena mereka memberikan sifat mekanik yang berbeda namun beroperasi serupa dalam hal sifat elektronik. Material pertama (Fe2V0.95Ta0.1Al0.95) menggabungkan serbuk paduan besi, vanadium, tantalum, dan aluminium.

Material kedua (Bi0.9Sb0.1) dalam campuran terdiri dari serbuk bismut dan antimon. Struktur ini menciptakan fase isolator topologis. Fase isolator topologis adalah kelas unik material kuantum. Mereka memiliki kemampuan untuk mengisolasi secara internal sambil menyediakan muatan tanpa kehilangan di permukaannya.

Bagaimana Suhu Mempengaruhi Kinerja Komposit Termoelektrik

Proses dimulai dengan pemanasan material dalam tungku leleh induksi. Hal ini memungkinkan material disintesis dan digiling menjadi serbuk. Ilmuwan menggiling serbuk tersebut dan kemudian mencampur kembali kedua material sambil melakukan sintering pada 1373 K. Langkah ini menyebabkan Bi0.9Sb0.1 meleleh dan melapisi butir-butir.

Skenario ini menciptakan fase batas butir, yang ideal untuk temuan peneliti. Secara khusus, material tidak bercampur pada tingkat atom. Sebaliknya, material BiSb diendapkan pada antarmuka berukuran mikrometer antara kristal paduan FeVTaAl, menghasilkan material termoelektrik keras dengan kemampuan mengesankan.

Mengganggu Getaran Kisi untuk Mengurangi Transfer Panas

Salah satu hal utama yang dicatat peneliti adalah bahwa material baru memiliki struktur kisi yang sangat berbeda dari material lain. Perbedaan pada lapisan ini begitu mencolok sehingga getaran termal tidak dapat mentransfer secara efektif melintasi kisi kristal. Desain ini secara efektif mengurangi getaran termal di seluruh permukaan.

Meningkatkan Mobilitas Listrik dalam Material Termoelektrik

Tim juga mencatat adanya peningkatan pembawa muatan. Karena kedua material memiliki karakteristik pembawa muatan yang serupa, tidak terdeteksi kehilangan. Menariknya, peningkatan kinerja tercatat secara tak terduga, menandakan bahwa material ini memiliki sifat termoelektrik yang luar biasa.

Menguji Kinerja Material Termoelektrik Baru

Tahap perancangan studi dilakukan di National Institute for Materials Science di Jepang. Tim melakukan beberapa pengujian mendalam, termasuk investigasi struktural, untuk menentukan bagaimana desain baru dapat bertahan dalam berbagai skenario.

Tim juga mencatat pengukuran termoelektrik dan magneto-transport yang luas sebagai bagian dari penelitian. Mereka menemukan bahwa modifikasi pada mikrostruktur memengaruhi efek Hall dalam rentang suhu dan medan magnet yang luas.

Hasil: Peningkatan Efisiensi dan Stabilitas Termoelektrik

Pengujian membuktikan bahwa material memiliki sifat termoelektrik yang luar biasa. Material tersebut berhasil mengurangi konduktivitas termal kisi secara menyeluruh. Selain itu, mobilitas pembawa muatan juga meningkat. Pencapaian ini berkat desain yang mengintegrasikan transport muatan yang dilindungi secara topologis sepanjang batas butir.

Insinyur juga mencatat peningkatan kinerja dan efisiensi dari desain baru mereka. Hal ini membuktikan bahwa material tertentu memungkinkan insinyur menargetkan transport panas tanpa mengurangi transport muatan. Secara khusus, kinerja perangkat melampaui upaya sebelumnya sebesar 100%.

Manfaat Utama Teknologi Termoelektrik Baru

Ada banyak manfaat yang dibawa studi ini ke pasar. Pertama, studi ini menggunakan material yang melimpah di bumi dan mudah didapat. Pendekatan ini membuka pintu bagi lebih banyak penelitian dan studi yang dapat dilakukan.

Selain itu, pendekatan ini membantu menjaga biaya tetap terkendali sambil menunjukkan bagaimana material dapat diskalakan untuk memenuhi kebutuhan masa depan. Termoelektrik terkenal sulit diproduksi dan rapuh. Pilihan baru ini lebih tahan lama dan menawarkan biaya masuk yang lebih rendah dibandingkan standar industri.

Stabilitas Material dan Daur Ulang Termoelektrik

Manfaat utama lain dari studi ini adalah memperkenalkan metode untuk menghasilkan termoelektrik tanpa meninggalkan limbah permanen. Pendekatan ini memiliki daur ulang yang tinggi, karena semua material melimpah di bumi dan disusun sedemikian rupa sehingga tidak menghasilkan polusi lingkungan yang besar.

Aplikasi Dunia Nyata Termoelektrik dan Garis Waktu Komersial

Ada aplikasi tak terbatas untuk teknologi ini. Banyak yang melihat termoelektrik sebagai salah satu cara terbaik bagi dunia untuk mencapai target net-zero karbon dan menciptakan keberlanjutan. Penemuan ini membuka pintu bagi penciptaan pasokan energi otonom. Berikut beberapa aplikasi penting lainnya untuk teknologi ini.

Termoelektrik dan Internet of Things (IoT)

Internet of Things mencakup miliaran perangkat pintar secara global. Jaringan sensor yang masif ini dapat memanfaatkan studi ini untuk menciptakan sumber energi mandiri. Kemampuan ini memungkinkan IoT melangkah maju dalam hal adopsi dan kegunaan.

Material Termoelektrik dalam Penjelajahan Luar Angkasa dan Satelit

Termoelektrik merupakan cara utama bagi penjelajah luar angkasa masa depan untuk menjaga lampu mereka tetap menyala. Sistem ini dapat mengambil panas atau dingin ekstrem yang ditemukan di luar angkasa dan mengubahnya menjadi daya yang dapat digunakan untuk perjalanan, perlindungan, dan meningkatkan kualitas hidup penjelajah luar angkasa di masa depan.

Menggunakan Termoelektrik dalam Rumah Pintar Berkelanjutan

Termoelektrik dapat membantu memberi daya pada rumah Anda di masa depan. Bayangkan rumah Anda tetap sejuk ketika cuaca di luar panas tanpa perlu menyalakan AC atau kipas. Para pembangun terus melihat material ini sebagai cara untuk menciptakan rumah yang lebih berkelanjutan dengan kebutuhan energi yang jauh lebih rendah.

Kapan Material Termoelektrik Akan Menjadi Arus Utama?

Mungkin diperlukan lebih dari 5 tahun sebelum teknologi ini masuk ke pasar. Ilmu pengetahuan sudah ada, tetapi besarnya industri dan kebutuhan untuk mengeksplorasi lebih banyak opsi dapat berarti teknologi ini masih memerlukan beberapa tahun penelitian sebelum insinyur merasa telah mengoptimalkannya hingga layak secara komersial.

Peneliti Termoelektrik

Tim peneliti internasional yang dipimpin oleh Fabian Garmroudi membuat studi termoelektrik ini menjadi mungkin. Studi ini didukung oleh berbagai institusi pendidikan terkemuka, termasuk Los Alamos National Laboratory (AS). Selain itu, tim mengembangkan material hibrida baru di National Institute for Materials Science di Jepang. Dukungan keuangan untuk proyek ini juga diperoleh melalui Lions Award.

Masa Depan Teknologi Termoelektrik

Masa depan termoelektrik cerah. Tim di balik studi ini kini ingin fokus mengembangkan material termoelektrik yang dapat bersaing dengan senyawa komersial berbasis bismut tellurida. Mereka mencatat bahwa mereka berencana meneliti isolator topologis lain seperti Bi2Se3.

Berinvestasi di Sektor Thermo Electronics

Banyak perusahaan bersaing di sektor termoelektrik untuk meraih dominasi. Pasar ini terus melihat permintaan yang meningkat seiring dengan peningkatan kebutuhan daya komputasi dan perjalanan. Perusahaan-perusahaan ini telah menginvestasikan upaya signifikan dalam mengeksplorasi termoelektrik dan opsi energi hijau lainnya. Berikut satu perusahaan yang berada pada posisi ideal untuk mendapatkan manfaat dari studi termoelektrik terbaru.

TTM Technologies Inc. 

TTM Technologies Inc. (TTMI ) masuk ke pasar pada tahun 1998. Perusahaan ini didirikan oleh Kent Alder dan awalnya diluncurkan di Washington. Pada tahun 1999, perusahaan mulai mengakuisisi pesaing. Akuisisi Pacific Circuits, Inc. menyebabkan perusahaan memindahkan operasinya ke California.

Saat ini, TTM Tech adalah produsen papan PCB terkemuka. Secara khusus, perusahaan ini adalah yang terbesar di Amerika Utara dan merupakan pemasok utama papan untuk militer AS. Saat ini memiliki lebih dari 16.400 karyawan dan telah melihat peningkatan volume kerja yang signifikan selama tahun terakhir.

Menariknya, saham TTMI mendapat dukungan kuat dari beberapa perusahaan investasi terbesar di dunia. Misalnya, BlackRock (BLK ) memiliki sekitar 17% saham perusahaan, setara dengan 18.299.780 saham. Faktor-faktor ini, bersama dengan sejarah inovasi perusahaan, menjadikan TTMI saham yang solid untuk dipantau.

Berita Terbaru tentang TTM Technologies

Termoelektrik: Teknologi Dingin Berikutnya dalam Konversi Energi

Gerakan termoelektrik sedang berada pada puncaknya, dan perkembangan terbaru ini pasti akan menginspirasi inovasi lebih lanjut. Material unik ini penting untuk memperluas jangkauan dan pemahaman manusia. Akibatnya, mereka akan terus memainkan peran penting dalam teknologi masa depan yang memerlukan mitigasi panas.

Pelajari proyek energi keren lainnya sekarang.

Studi yang Dirujuk:

^{1. Garmroudi, F., Serhiienko, I., Parzer, M., Ghosh, S., Ziolkowski, P., Oppitz, G., Nguyen, H. D., Bourgès, C., Hattori, Y., Riss, A., Steyrer, S., Rogl, G., Rogl, P., Schafler, E., Kawamoto, N., Müller, E., Bauer, E., de Boor, J., & Mori, T. (2025). Transport muatan dan panas yang terpisah dalam termoelektrik komposit Fe₂VAl dengan jaringan batas butir topologis-isolator. Nature Communications, 16(2976). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57250-6}