Исследователи из Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса (Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, APL) совместно с Samsung Electronics разработали новый твердотельный термоэлектрический охлаждающий материал, пригодный для массового производства с использованием полупроводниковой технологии. Разработчики утверждают, что новинка в два раза эффективнее ранее разработанных термоэлектрических материалов для охлаждения электронного оборудования.

Источник изображения: eenewseurope.com

Технология твердотельного термоэлектрического охлаждения CHESS (Controlled Hierarchically Engineered Superlattice Structures — «управляемые иерархически спроектированные сверхрешёточные структуры») стала результатом десятилетних исследований APL. Изначально она разрабатывалась в рамках проекта национальной безопасности для программы DARPA в США, но авторы считают, что спектр применения CHESS гораздо шире — от охлаждения протезов конечностей до отвода тепла от электронного оборудования.

«Наша реальная демонстрация охлаждения с использованием новых термоэлектрических материалов показывает возможности CHESS, — заявил руководитель совместного проекта Рама Венкатасубраманиан (Rama Venkatasubramanian). — Это знаменует собой значительный скачок в технологии охлаждения и закладывает основу для перевода достижений в области термоэлектрических материалов в практические, крупномасштабные, энергоэффективные холодильные приложения».

Технология основана на использовании электронов для отвода тепла через специализированные полупроводниковые материалы, что устраняет необходимость в движущихся частях или охлаждающих жидкостях. Исследователи использовали металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) для производства материалов CHESS. По словам учёных, «этот метод известен своей масштабируемостью, экономической эффективностью и способностью поддерживать крупносерийное производство».

Структура CHESS в тонкоплёночных материалах P- и N-типа. Источник изображения: nature.com

Используя материалы CHESS, команда разработчиков достигла почти 100 % повышения эффективности отвода тепла по сравнению с традиционными термоэлектрическими материалами при комнатной температуре. Это означает почти 75 % повышение эффективности на уровне устройства в термоэлектрических модулях и 70 % повышение эффективности в полностью интегрированной системе охлаждения.

Охлаждение большой площади с минимальным количеством пар P-N. Источник изображения: nature.com

«Эта тонкоплёночная технология имеет потенциал для роста от питания небольших холодильных систем до поддержки крупных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха зданий, подобно тому, как литий-ионные батареи были масштабированы для питания таких маленьких устройств, как мобильные телефоны, и таких больших, как электромобили», — уверен Венкатасубраманиан.

Разработчики планируют продолжить совершенствование термоэлектрических материалов CHESS с акцентом на повышение эффективности, чтобы приблизиться к эффективности обычных механических систем. В скором времени они собираются продемонстрировать более масштабные холодильные системы на основе CHESS, включая морозильные камеры. Другим направлением их дальнейшей работы станет интеграция ИИ для оптимизации энергоэффективности при раздельном или распределённом охлаждении в холодильном и климатическом оборудовании.

Термоэлектрическое качество (ZT) при температуре 300 К, измеренное методом Хармана. Источник изображения: nature.com

«Помимо охлаждения, материалы CHESS также способны преобразовывать разницу температур, например, тепло тела, в полезную энергию, — отметил менеджер исследовательской программы Джефф Маранчи (Jeff Maranchi). — В дополнение к продвижению тактильных систем следующего поколения, протезов и человеко-машинных интерфейсов, это открывает дверь к масштабируемым технологиям сбора энергии для приложений, начиная от компьютеров и заканчивая космическими аппаратами — возможности охлаждения, которые были нереализуемы с помощью старых громоздких термоэлектрических устройств».

Термическое моделирование и внедрение модулей TFTEC в холодильную систему. Источник изображения: nature.com

Разработчики уверены, что технология охлаждения CHESS открывает новые перспективы не только в научном, но и в коммерческом плане. В настоящее время они работают над переводом этих инноваций в практические, реальные приложения.

75 % энергии при работе двигателя внутреннего сгорания буквально вылетает в трубу или рассеивается в виде тепла. Было бы заманчиво задействовать эту энергию для полезной работы, например, для генерации электричества — подзарядки батарей гибридных автомобилей в движении или зарядки мобильных устройств. Эта проблема настолько заинтересовала учёных из Университета штата Пенсильвания, что они придумали простую насадку на выхлопную трубу для генерации электричества от выбросов.

Источник изображения: ACS Applied Materials & Interfaces 2025

Исследователи разработали и испытали систему радиаторов, которая без дополнительных средств охлаждения (например, водяного) создавала значительный перепад температур. Чем больше температурный градиент, тем эффективнее работает термоэлектрический генератор, поскольку электроны активнее перетекают от нагретой зоны к охлаждённой. Предложенная учёными система накладных радиаторов оказалась достаточно эффективной и универсальной, что допускает её установку на выхлопную трубу любого транспортного средства с ДВС.

Для преобразования тепла выхлопных газов в электричество учёные использовали полупроводниковый материал — теллурид висмута. Насадка, установленная на выхлопную трубу автомобиля, позволила вырабатывать 56 Вт электричества при моделировании движения на максимальной скорости. Расчётная мощность генератора в стандартных условиях составила 40 Вт — этого достаточно, чтобы бесплатно зарядить смартфон или ноутбук. Вероятно, система также поможет гибридным автомобилям дольше двигаться на электротяге, подзаряжая аккумуляторы на ходу во время работы ДВС.

Установка того же термоэлектрического генератора на выхлопную трубу вертолёта позволила вырабатывать 146 Вт электричества — в три раза больше, чем на автомобиле. Для бортовых систем вертолёта это, конечно, капля в море, но без генератора эта энергия попросту рассеялась бы в воздухе. Теперь же она делает транспорт с ДВС чуть более эффективным и менее вредным для экологии. Возможно, такие разработки станут шагом на пути к совершенствованию двигателей внутреннего сгорания, прежде чем они уступят место экологически чистым видам транспорта.

Международная группа учёных определила способы получения электроэнергии от тепла человеческого тела с использованием экологически чистых материалов. Идеальным материалом для создания мембраны, с помощью которой можно получать энергию от низкотемпературных термоэлектрических процессов, оказался лигнин, добываемый из отходов древесины. Это материал растительного происхождения, возобновляемый, экологически чистый и широкодоступный.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Человеческое тело в среднем за час вырабатывает 60–80 Вт тепловой энергии — вполне достаточно, чтобы запитать ноутбук. Проблема в том, как собрать это тепло и преобразовать его в электричество, а также накопить. КПД термоэлектрических преобразователей обычно составляет единицы процентов и даже ниже, если речь идёт о температурах ниже 200 °C. Но именно от источников такого «мусорного» тепла больше всего потерь в атмосферу — свыше 66 %. Его теряют тёплые механизмы, теплотрассы, строения и многое другое, включая нас самих. А ведь преобразование тепла тела в электричество могло бы надолго, если не навсегда, обеспечить работу носимой электроники.

Учёные из Университета Лимерика (Ирландия) в сотрудничестве с Университетом Валенсии (Испания) смогли создать мембрану из лигнина, способную создавать разность потенциалов на обеих её сторонах. Для этого мембрану пропитывали солевым раствором, в котором под действием тепла на одной стороне возникало движение положительных ионов на противоположную сторону. Оставалось лишь аккумулировать этот ток и использовать по назначению. Учёные и здесь не ударили в грязь лицом и создали экологически чистый накопитель ионов.

Исследователи изготовили из древесных отходов пористый углеродный материал, способный накапливать ионы после их прохождения сквозь мембрану из лигнина. Аккумулятор также оказался экологически чистым, как и термоэлектрический элемент. Точнее, исследователи создали углеродный суперконденсатор из отходов древесины, доказав, что тепло можно преобразовывать в электричество и накапливать без использования токсичных веществ, таких как свинец, сурьма и другие.

Стартап Phononic представил на конференции Hot Chips 2024 необычный процессорный кулер Hex 2.0. Несмотря на схожесть с обычным воздушным кулером, Hex 2.0 — это термоэлектрическая система охлаждения. В её основе используется элемент Пельтье. Кулер может работать как в пассивном, так и в активном режимах — когда требуется дополнительное охлаждение включается вентилятор.

Источник изображений: Phononic

Новинка выглядит как двухсекционный башенный кулер с 92-мм вентилятором посередине. Hex 2.0 представляет собой относительно компактный кулер — его размеры составляют 125 x 112 x 95 мм, а вес — 810 грамм. Несмотря на это, по эффективности данная система охлаждения может посоперничать с СЖО с радиатором типоразмера 240 мм, не говоря уже об обычных воздушных кулерах. Phononic в подтверждении своих слов привела результаты внутренних тестов Hex 2.0 по охлаждению процессора AMD Ryzen 9950X.

Поскольку это термоэлектрическая система охлаждения, то для её эффективной работы требуется дополнительное питание. В данном случае для охлаждения 170-Вт AMD Ryzen 9950X (230 Вт в режиме Turbo) кулер Hex 2.0 потребляет около 35 Вт энергии. Для этого система охлаждения оснащена шестиконтактным разъёмом питания, как у видеокарт.

Суть технологии термоэлектрического охлаждения сводится к использованию разницы температур между двумя сторонами охлаждающей пластины, одна из которых нагревается, а другая охлаждается под воздействием электрического тока. При небольших нагрузках работает только одна секция радиатора кулера. При интенсивных нагрузках подключается вторая.

В состав Hex 2.0 также входит 92-мм вентилятор со скоростью работы от 1000 до 2650 об/мин, который создаёт воздушный поток до 44 кубических футов в минуту и обладает уровнем шума до 33 дБА.

О потенциальной стоимости кулера Hex 2.0 компания пока не сообщает. Также неизвестно, когда он появится в продаже.

Солнечные панели уже вырабатывают большой объём энергии, но революция произойдёт после того, как человечество начнёт преобразование тепла в электричество. Тепло от Солнца, от энергоёмких промышленных процессов, от ЦОД и неисчислимого количества источников пока невозможно эффективно превращать в электричество. Слишком высокой должна быть температура, чтобы мизерный КПД современных термоэлектрических элементов принёс хоть какую-то ощутимую пользу. Но надежда есть.

Источник изображений: Brenda Ahearn, Michigan Engineering

Учёные из Университета Мичигана около десяти лет совершенствуют придуманную ими термоэлектрическую ячейку на основе комбинации тонкослойных полупроводниковых материалов из арсенида индия-галлия (InGaAs). Особенностью термоэлектрического элемента команды из США можно считать комбинацию полупроводника с воздушным зазором и отражательным элементом из золота.

Перед учёными стоит задача улавливать как можно больше фотонов с инфракрасными длинами волн. Строго подобранный воздушный зазор с зеркальной подложкой позволяет возвращать фотоны, которые не поглотились полупроводником, обратно в тепловой аккумулятор. Это даёт им шанс снова попытаться быть поглощёнными, если их энергия достигнет необходимого значения. Тем самым КПД ячейки удалось повысить с предыдущего значения 37 % до 44 %, а со временем это позволит добиться ещё большей эффективности — на уровне 50 %.

Также важно отметить, что заявленный КПД получен при гораздо меньшем уровне нагрева источника тепла. Если до этого КПД до 40 % удавалось показывать при нагреве графита до 2000 °C или около того, то в новой работе КПД на уровне 44 % получен при нагреве графита до 1435 °C. Исследователи утверждают, что это позволило им в два раза повысить выход электрической энергии с каждого килограмма графита. Технология пока далека от масштабов выработки киловатт и более энергии, но понижение температуры рабочего тела (аккумулятора) с одновременным увеличением эффективности термоэлемента — это шаг в правильном направлении.

Исследователи из Корейского института науки и технологий (KIST) создали термостойкий материал, не теряющий своих свойств при нагреве до 1000 °C, а также под воздействием жёсткого ультрафиолетового излучения. Ожидается, что он найдёт применение в сфере получения электрической энергии от тепла, а также в космосе, где поможет охлаждать спутники и корабли.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

На Земле множество источников тепла, и это не считая энергии Солнца. Мы пока не научились эффективно превращать его в электрическую энергию напрямую. Из-за низкой эффективности современных термоэлектрических элементов наиболее выгодно сегодня работать с сильно нагретыми источниками. Чем выше его температура, тем лучше.

С другой стороны, по мере роста нагрева передающего тепло материала он начинает быстрее окисляться и ускоренно терять проводящие свойства. Группа южнокорейских учёных работала в этом направлении — искала материал, который не терял бы свои свойства при достаточно высоком нагреве и мог послужить проводником тепла от источника к приёмнику.

Традиционные тугоплавкие материалы, такие как вольфрам, никель и нитрид титана не подошли. Слишком активно они начинали окисляться при достижении максимальных температур. После поиска нужной формулы учёные остановились на оксиде станната бария, легированном лантаном (LBSO). Предложенный учёными процесс опирался на метод импульсного лазерного осаждения, что позволяло создавать тонкоплёночные покрытия из необычного материала.

Материал слабо реагирует на сильный нагрев и жёсткий ультрафиолет. Источник изображения: Korea Institute of Science and Technology

После проверок оказалось, что тонкоплёночный LBSO не коробился и не терял своих теплопроводящих свойств при нагреве до 1000 °C и был стабилен в многослойном исполнении. Также он оказался устойчив к ультрафиолетовому излучению мощностью 9 МВт/см². Это делает его идеальным для аэрокосмического применения для отвода тепла от космических аппаратов под лучами Солнца.

«LBSO внесет свой вклад в решение проблемы изменения климата и энергетического кризиса путём ускорения коммерциализации производства термоэлектрической энергии», — уверены авторы работы, опубликованной в журнале Advanced Science.