IT-байки: термоэлектрические нанотехнологии для автомобиля

Очередной воскресный выпуск "IT-баек" мне вновь хотелось бы посвятить теме несовершенства современного мира. Если бы кому-нибудь когда-нибудь пришло бы в голову сделать символ этого несовершенства, пожалуй, в центр такой эмблемы я бы предложил поместить современный автомобиль. Да, внешне, безусловно, все автомобили по-своему красавцы. Но даже если не принимать во внимание клубы ядовитого дыма, ежесекундно вырывающиеся из миллионов выхлопных труб и постоянно растущие цены на топливо, всё равно останется много поводов раскритиковать устройство современного автомобиля. Возьмём для примера двигатель – безмерно горячий и неработоспособный без специальных мер охлаждения. Куда всё это девается, какая польза от этого тепло? Да, собственно, никакой. По разным оценкам, всего лишь порядка 25% энергии, вырабатываемой бензиновым двигателем, тратится на приведение автомобиля в движение, в то время как порядка 60% энергии тратится впустую, в том числе, на сброс тепла разогретого двигателя. Увы, современный гибридный автомобиль - явление в плане экологии более чем условное (см. нашу статью Гибридные автомобили: экологичная экономия на колесах). Безусловно, экономия топлива и кое-какая "экологичность" в этом есть, но всерьёз о заботе об окружающей среде можно будет говорить лишь тогда, когда понятие "гибридный автомобиль" будет подразумевать наличие бензинового/дизельного двигателя в качестве вспомогательного к основному – например, электрическому, а не наоборот, как сейчас. Электромобили, которым сулят великое будущее, также пока что далеки от массового (и, главное, бюджетного) внедрения. Так что на сегодняшнем этапе самым разумным делом остаётся борьба за улучшение современных автомобилей, и сегодня мы поговорим о том, как минимизировать потери хотя бы от непроизводительного нагрева двигателя. Итак, задача – научиться превращать тепло автомобильного двигателя в электричество компактными устройствами с максимально возможным КПД. Каждый из нас с ходу может предложить десятки приложений, где такой преобразователь нужен уже сейчас. Постоянные читатели нашего сайта, скорее всего, в качестве примера такого устройства первым делом припомнят так называемый элемент Пельтье, однако вне "компьютерного мира" в качестве наиболее интересного примера чаще всего приводится двигатель автомобиля, охлаждение которого представляет серьёзную проблему, да и тепло в любом случае теряется попусту. Впрочем, та же технология с лёгкостью может быть задействована в стационарных генераторах электричества, тепловых помпах и т.д. Именно вопросы охлаждения "печки" автомобильного двигателя рассматривали в качестве главнейшей цели исследователи из Высшей школы Нанотехнологий при Университете Огайо (Ohio Eminent Scholar in Nanotechnology at Ohio State University), когда занимались разработкой новых материалов для конвертирования тепла в электричество. В статье под названием Enhancement of Thermoelectric Efficiency in PbTe by Distortion of the Electronic Density of States, опубликованной в последнем выпуске журнала Science, исследователи из Огайо описывают материал, вдвое эффективный по сравнению с любыми другими предложениями в этой области.

Подобные материалы обычно называют термоэлектрическими, а польза от них оценивается коэффициентом (zT), рассчитанным по эффективности конвертирования тепла в электричество при заданной температуре. До сих пор наиболее эффективным термоэлектрическим материалом, используемым в коммерчески выпускаемых термоэлектрических генераторах, считался сплав теллурида свинца с добавками натрия, который обладает термоэлектрическим коэффициентом 0.71. Новый материал – теллурид свинца с присадками таллия (Tl-doped PbTe), обладает коэффициентом на уровне 1.5, что более чем вдвое превышает показатели предыдущего "лидера".

К слову упомянуть, на базе наноматериалов из теллурида свинца в настоящее время разрабатывается великое множество термоэлектрических проектов. Например, в лаборатории NASA Langley Research Center учёные работают над специальным покрытием для высотных самолётов, где тепло солнечной энергии непосредственно преобразовывалось бы в электричество. Впрочем, есть ещё один важный параметр, без учёта которого нет смысла говорить о коммерческом внедрении. Имеется в виду диапазон температур, при котором термоэлектрический материал наиболее эффективен. Как выяснилось в результате экспериментов, теллурид свинца с присадками таллия наиболее эффективно преобразует тепло в электричество в диапазоне температур 450-950° Фаренгейта, что примерно соответствует 232-510°С. Оверклокеров, скорее всего, такие рабочие температуры разочаруют, и, тем не менее, именно этот диапазон является типичным для тепловыделяющих систем вроде автомобильного двигателя. "Новый материал отлично справляется с работой", говорит Джозеф Хереманс (Joseph Heremans), руководитель проекта в Университете Огайо. "Новый материал производит электричество точно так же, как это делают обычные тепловые двигатели – паровые, газовые или дизельные, объединённые в пару с электрическим генератором. В отличие от них термоэлектрический генератор в качестве "рабочей жидкости" вместо воды или газа использует непосредственно электроны". Раз уж зашла речь об автомобилях, самое время вспомнить об упомянутом в начале статьи КПД двигателя. Термоэлектрический генератор, установленный на двигатель, мог бы сделать обычный автомобиль значительно эффективнее. Более того, термоэлектрический генератор весьма практичен благодаря отсутствию движущихся частей, он вполне может пережить не один автомобиль (в полной аналогии со съёмными объективами для зеркальных фотокамер). При этом габариты термоэлектрического генератора невелики - Джозеф Хереманс оценивает соотношение размеров изобретённого ими генератора с другими тепловыми преобразователями "как транзистор относится к вакуумной электронной лампе". Теперь – самое интересное, об "обещанных нанотехнологиях". Но для начала необходимы некоторые пояснения методики разработки новых термоэлектрических материалов. Дело в том, что для увеличения количества энергии, вырабатываемой термоэлектрическим преобразователем, инженеры при исследованиях свойств новых структур обычно пытаются уменьшить количество проходящего через исследуемый материал и остающегося не преобразованным в электричество тепла. Таким образом, типичная стратегия состоит в создании термоэлектрического материала с уменьшенной термической проводимостью. В лаборатории Университета Огайо для уменьшения термической проводимости учёные внедряли в исследуемые материалы так называемые "нанопровода". Работать с такими структурами пока непросто: не всегда они достаточно стабильны, пока что достаточно трудно производимы в больших количествах, к тому же не так-то просто подключаются к традиционным электрическим цепям и внешним источникам тепла. Работая с новым термоэлектрическим материалом, учёные применили совершенно другую стратегию: перестав на время обращать внимание на "капризности" наноструктур, они сфокусировали своё внимание на другой цели – конвертации максимального количества тепла, полученного материалом, в электричество. Для этого пришлось обратиться к некоторым современным идеям квантовой механики. Ещё в 2006 году группа других исследователей опубликовала в журнале Physical Review Letters заметку о межатомном взаимодействии некоторых элементов вроде таллия и теллура на квантово-механическом уровне, в результате чего возникает резонанс электронов таллия и термоэлектрическим материалом из теллурида свинца. Таким образом было обнаружено специфическое изменение поведения электронов таллия при близком соседстве с атомами теллура. На протяжении порядка десяти лет исследователи изучали этот эффект на примере разных типов наноструктур, правда, добились небольшого прогресса. Учёные из Огайо решили повторить эксперимент, однако сразу решили заменить типичные наноструктуры на полупроводниковые. Дальше – дело техники и нескольких групп учёных по всему миру. Так, Владимир Йовочич (Vladimir Jovovic), коллега Джозефа Хереманса, сделал эти тезисы базой своей докторской диссертации; исследователи из Университета Осаки (Osaka University), Кен Куросаки (Ken Kurosaki), Анек Чаронфакди (Anek Charoenphakdee) и Шинсуке Яманака (Shinsuke Yamanaka), создали образцы нового материала для тестирования. Затем учёные из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), Джеффри Шнайдер (G. Jeffrey Snyder), Эрик Тоберер (Eric S. Toberer) и Али Сарамат (Ali Saramat), провели тестирование образцов при высоких температурах. Учёные из Огайо провели исследования свойств нового материала при низких температурах, а также привели экспериментальные доказательства физической сути полученного эффекта. Как раз в результате этих экспериментов было выяснено, что при температуре порядка 200 с небольшим градусов Цельсия материал на основе теллурида свинца с присадками таллия ведёт себя сравнимо с обычным теллуридом свинца с присадками натрия, то есть, его термический коэффициент составляет те же 0.75. И лишь по мере приближения к температуре порядка 500°С новый материал выдаёт пиковый коэффициент порядка 1.5. В своих экспериментах исследователи использовали образцы в форме параллелепипеда с дискообразным сечением, нарезанные на диски длиной 8 мм, сечением 1x1 мм². Разумеется, учёные уже подали патентную заявку на новый термоэлектрический материал, однако на этом останавливаться не намерены, поскольку совершенно уверены, что с помощью термоэлектрических нанотехнологий термоэлектрический коэффициент можно довести до отметки 2 в самом ближайшем будущем. Поскольку статья доступна лишь в платном режиме, отправляю интересующихся подробностями на уровне формул к вот этому краткому 9-страничному описанию методики и результатов эксперимента. Ради справедливости также стоит упомянуть, что в начале этого года группа других исследователей из Бостонского колледжа, Массачусетс, смогла получить термоэлектрический материал с коэффициентом zT=1.4 с помощью совершенно иной технологии – физического изменения кристаллической структуры соединения висмута, сурьмы и теллура, благодаря чему удалось увеличить КПД преобразователя. Учёные из обеих групп полагают, что улучшить их результаты можно также с помощью комбинации обеих методик. Полагаю, вам также будет интересно узнать, что идея отвода излишнего тепла от двигателя с целью его преобразования в электричество отнюдь не чужда производителям автомобилей. Например, компания Rolls Royce уже инвестировала несколько миллионов фунтов стерлингов в зарегистрированный в Гибралтаре проект Power Chips. Термоэлектрические генераторы Power Chips предполагается использовать в аэрокосмической области, для создания новых типов электромобилей и пр., в том числе, в выше упомянутом качестве – для отвода тепла от двигателей нынешних автомобилей. Правда, в "целях и задачах" Power Chips сразу упомянуто: никаких экзотических или дорогих материалов ("Marginal cost of Power Chips, in production, could be as low as pennies per watt capacity"). У компании уже имеется толстый пакет патентов и даже прототипы, однако о коммерциализации проекта, насколько я понял, речи пока нет.

---

К сожалению, финал сегодняшней заметки не будет мажорным: ни в одном материале, изученном при подготовке статьи, мне не удалось обнаружить чёткие обещания, вроде "термоэлектрические наноструктуры для охлаждения автомобильных двигателей будут внедрены в массовое производство через такое-то количество лет". Впрочем, речь не только об автомобильных двигателях: похоже, все эти эксперименты не собираются покидать стен лабораторий учёных в ближайшее время. И всё же, именно тот, кто патентует такие технологии сегодня, будет пожинать плоды своей работы завтра. К этому ведут и регулярно ужесточающиеся экологические требования многих развитых стран, к этому ведёт продолжающийся рост цен на топливо. Те, кто не будет задумываться об экономии и экологии сейчас, уже завтра вылетят в трубу – как в прямом, так и в переносном смысле. Ресурсы для дополнительного чтения по теме:

• The Science Magazine
• Science Daily
• Ohio State University
• Power Chips
• California Cars Initiative