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.

Учёные из Токийского университета разработали технологию для кратного повышения термоэлектрического эффекта при выработке электричества даже при небольших перепадах температуры. Это мусорное тепло можно брать отовсюду. Например, при охлаждении воздуха кондиционером, когда в процессе конденсации влаги выделяется немного энергии. И такие явления происходят везде от изготовления мороженного до выплавки стекла, чем можно будет воспользоваться.

Источник изображения: Pixabay

Предложение японских учёных строится на том, что даже малейшую разницу в температуре можно использовать для значительного усиления термоэлектрического эффекта. Сама разница в температуре вещества (жидкости или газа) возникает в процессе перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое — это конденсация или кристаллизация воды и подобные процессы.

При фазовом переходе выделяется энергия (либо поглощается при других условиях). В ограниченном объёме её мало, например, внутри того же кондиционера. Но японцы придумали способ усилить отдачу от этой энергии. Они собрали полимер, который при охлаждении распрямляется в спираль, а при нагреве сворачивается в клубок (глобулу). По-сути полимер либо растворяется в воде при её охлаждении ниже определённого значения, либо «конденсируется» при нагреве выше границы для растворения. С точки зрения химии происходят окислительно-восстановительные реакции, о чём учёные рассказали в статье Advanced Materials.

Опытная установка. Источник изображения: University of Tokyo

Переход клубок-глобула резко освобождает молекулы воды от полимерных цепей — полимер совершает свой фазовый переход. Это как запустить лавину с горы. Небольшая доля энергии «первичного» фазового перехода, например, в процессе конденсации воды в кондиционере запускает лавинообразный процесс конденсации полимера, что умножает выделение тепла и усиливает работу термоэлемента.

Фактически процесс повышает так называемый коэффициент Зеебека — меру эффективности работы термоэлектрического преобразователя — до +2,1 мВ/К. Это более чем в два раза выше, чем для уже исследованных органических растворов. Открытие настолько удачное, говорят учёные, что пора искать производителя для таких систем. И тогда «можно будет вырабатывать электроэнергию, охлаждая серверную комнату или двигатель автомобиля», утверждают участники исследования.

Примерное представление процесса

«Мы впервые подтвердили, что скрытое тепло может быть использовано для термоэлектрического преобразования, — заявил профессор Теппей Ямада с химического факультета Высшей школы наук Токийского университета. — Мы считаем, что для термоэлементов можно использовать различные виды материалов. Каждое вещество при соответствующих условиях может совершать фазовый переход: например, сливки в мороженое, песок в стекло, вода в пар и т.д. В принципе, с помощью этого метода можно извлекать электрическую энергию даже из малейшей разницы температур, что значительно увеличивает число ситуаций, в которых можно использовать термоэлектрическое преобразование».

Сегодня выработка электроэнергии сопровождается выбросом огромного количества тепла в окружающее пространство. Заманчиво обернуть эти потери себе на пользу, но современные технологии предлагают решения с очень низкой эффективностью — всего лишь единицы процентов. В США учёные создали метаматериал, который сулит значительное повышение эффективности такого преобразования.

Наностолбцы на кремнии под электронным микроскопом. Источник изображения: Advanced Materials

Термоэлектрический эффект — появление разности потенциалов на концах двух последовательно соединённых разнородных проводников при условии наличия разницы в температуре между обоими — двести лет назад открыл физик Томас Зеебек (Thomas Seebeck). Эффект назван его именем. Для эффективного преобразования тепла в электричество требуется, чтобы материал хорошо проводил электроны и плохо проводил тепло. Тогда на его концах будет большая разница температур и, как результат, высокий КПД. К сожалению, в природе такие материалы не встречаются. Если материал хорошо проводит ток, то он ровно так же хорошо будет проводить тепло, и наоборот.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали метаматериал, который хорошо проводит электроны и плохо проводит тепло. Следует сказать, что тепло в телах с твёрдой кристаллической решёткой передают квазичастицы фононы. И пусть они не настоящие частицы, но они точно так же подчинены корпускулярно-волновой теории — одновременно являются и частицами, и волной. Новый метаматериал использует волновые свойства фононов, чтобы повлиять на скорость их распространения в материале.

Структурно новый метаматериал представляет собой лист кремния, на котором выращивают нанокристаллы из нитрида галлия. Затем кремниевую подложку истончают до требуемой толщины. Получается следующее. Когда тепло передаётся от одного края листа до другого, оно передаётся также посредством наностолбцов. В столбиках возникают стоячие волны с периодом, значение которого диктует их форма — узкий столбец. Эти волны намного-намного короче волны фононов, которая свободно распространяется в кремнии. Оказалось, что стоячие волны в наностолбцах резонируют с волнами фононов в кремнии, заставляя фононы в кремнии подстраивать свою длину волны под «запертую».

Источник изображения: NIST

В результате эксперимента, о котором рассказано в журнале Advanced Materials, учёные смогли уменьшить теплопроводность кремния на 21 % без ухудшения его электропроводности. Физики надеются, что вскоре смогут представить решение с высокой скоростью преобразования тепла в электричество, что откроет путь к новым термоэлектрическим приборам или позволит создать более эффективные радиаторы для электроники.

Бытовая электроника и техника, да и сами люди выделяют тепло, которое обычно просто рассеивается в окружающей среде. Термоэлектрические генераторы (ТЭГ), которые преобразуют разницу температур в электричество известны давно, но теперь исследователям удалось создать на основе полимера мягкий и эластичный термоэлектрический генератор, который к тому же сможет полностью разлагаться под воздействием окружающей среды.

Источник изображения: Korea university

В отличие от традиционных термоэлектрических устройств, новый генератор можно будет легко интегрировать на тканевую основу, что позволяет создавать носимые на теле датчики, работающие от тепла, или одноразовые маски для лица, которые способны измерять температуру.

В ТЭГ поток зарядов между горячими и холодными областями приводит к появлению разницы потенциалов и генерированию электрического тока. Такие генераторы изготавливают различными способами из разных материалов. Обычно это устройство, одна сторона которого остаётся холодной, а другая соприкасается источником тепла.

Поскольку они представляют собой полупроводниковые устройства без движущихся частей, ТЭГ требуют минимального обслуживания и весьма долговечны. До сих пор такие устройства изготавливались из сравнительно дорогих и, порою, токсичных полупроводниковых материалов, таких как теллурид висмута и теллурид свинца, и в основном находили применение в нишевых приложениях, таких как космические корабли и спутники. Например, недавно команда учёных разработала способ получения электричества в космосе, поместив материал, излучающий тепло в космическое пространство, поверх материала, поглощающего тепло из воздуха внутри космического аппарата.

Исследователи давно стремились снизить стоимость и повысить эффективность ТЭГ, однако материалы и конструкции, используемые до сих пор для изготовления ТЭГ, «могут привести к созданию сложного и неэффективного ТЭГ, который будет громоздким и трудным для установки с другими компонентами», — говорит Янг Мин Сонг (Young Min Song), профессор электротехники и информатики в корейском институте науки и техники.

Сонг и его коллеги решили отказаться от традиционного «двухстороннего» подхода. Вместо этого они используют узор, вдохновлённый полосками зебры, чтобы создать между этими самыми полосками разницу температур, которая достаточно велика для производства электроэнергии. На белый лист, сделанный из эластичного и биоразлагаемого полимера поликапролактона, который обычно используется для хирургических имплантатов и шовного материала, равномерно наносятся полосы чёрного полимера. Белые полосы отражают солнечный свет и излучают тепло в инфракрасном диапазоне, а чёрные, наоборот, поглощают. Таким образом, чередующиеся чёрные и белые полосы создают горячие и холодные области на эластичной полимерной основе.

Источник изображения: Korea university

Этот полосатый лист помещён поверх так называемой «кремниевой наномембраны». Она представляет собой массив из полупроводниковых нанопроводников волнообразной формы, за счёт чего они могут растягиваться, не ломаясь.

При тестировании на открытом воздухе в солнечный день, белые полосы стали на 8 °C холоднее, а чёрные на 14 °C теплее температуры окружающего воздуха, создав максимальную разницу температур в 22 °C. Нанопроводники преобразовывали эту разницу температур в электрическую энергию, генерируя максимальную мощность около 6 микроватт на квадратный метр (мкВт/м²).

По словам Сонга, этого достаточно для работы датчиков с низким энергопотреблением, но, безусловно, ниже идеала для коммерческих приложений. Использование более термоэлектрически эффективных материалов, увеличило бы выходную мощность, но главные преимущества устройства — дешевизна, эластичность и биоразлагаемость — были бы утрачены.

Источник изображения: Korea university

«Даже когда образец был растянут примерно в 1,3 раза, производительность генерации сохранилась», — утверждает Сонг. В лаборатории устройство полностью растворилось на безвредные побочные продукты за 35 дней при помещении в солевой раствор. По словам Сонга, такая деградация в естественной среде займёт больше времени.