Электричество из тепла

1.00

Нет

Термоэлектрические генераторы могут работать десятки лет, используя только тепло, которое в современной технике в основном расходуется без всякой эффективности. От партизанских котелков до космических аппаратов: что такое термоэлектрики и как их используют.

Область Томбо - огромный кратер на Плутоне, заполненный кристаллическим азотом, пишет Тиждень [2]. На фотографиях она немного светлее окружающего ландшафта и из-за характерной формы названа сердцем Плутона. Одна из самых узнаваемых фотографий уходящего десятилетия, сделанная в июле 2015 года аппаратом New Horizons [3], который питается благодаря термоэлектрическому эффекту. По сути, он получает электрическое напряжение из тепла.

В тему: Автоматическая межпланетная станция New Horizons передала снимки с изображением Плутона [4]

Персонаж Мэтта Дэймона в фильме «Марсианин» нашел аппарат Pathfinder. Двигатель марсохода с несколькими граммами плутония-238 все еще работал, и герой использовал его для установления связи с Землей. Сам марсоход питался через солнечную батарею. Он весил всего 10 кг, тогда как более совершенный Curiosity, запущенный в 2011 году, уже имел массу 899 кг. Солнечного света на Марсе мало для питания такого большого аппарата, к тому же из-за пылевых бурь марсоход мог не получать и той энергии. Curiosity собирал научные данные и постил селфи в Twitter благодаря радиоизотопному термоэлектрическому генератору (РИТЭГ), который в начале миссии обеспечивал мощность 125 Вт.

РИТЭГ изобрели в 1954 году работники Маундовской лаборатории Кен Джордан и Джон Бьорден. Эта лаборатория была частью американских научных мощностей, которые использовали для разработки ядерного оружия во времена холодной войны [5]. Генератор переводил тепло, образовавшееся в результате распада радиоактивного элемента, в электроэнергию благодаря термоэлектрическому эффекту. Перспективное изобретение взяли на вооружение сначала военные, а затем и исследователи NASA [6]. Такие генераторы питали миссии Pioneer 10 и Pioneer 11, оба Voyager, New Horizons. Voyager [7] работают уже 42 года, они пересекли границу Солнечной системы и стали самыми отдаленными искусственными объектами в истории человечества, а их генераторы, как предполагается, будут работать до 2025 года, когда тепла из-за уменьшения массы плутония-238 станет мало. Одной из версий взрыва 8 августа этого года на полигоне вблизи российского Северодвинска, приведшего к повышению радиоактивного фона, является как раз использование РИТЭГ для испытания ракеты «Буревестник» [8].

Термоэлектрический эффект, который лежит в основе работы РИТЭГ, открыл еще в 1822 году Томас Зеебек. Он спаял пластины из висмута и меди, а нагрев место контакта - заметил отклонение стрелки компаса вблизи него. Так ученый изобрел термопару - цепь из спаянных с одного конца проводников, которые замыкаются на измерительном приборе. Контакты держат при различных температурах, и между ними возникает электрическое напряжение. Чем больше нагрет горячий контакт термопары, то оно выше. Эти приборы просты и чаще всего их используют для измерения температур в диапазоне свыше 2000 градусов.

Термоэлектрический модуль на основе бумаги из нанотрубок

Обратное эффекту Зеебека явление исследовали в 1830-х Жан Пельтье и Эмилий Ленц. Последний располагал каплю воды у контакта висмута и сурьмы и наблюдал, что с ней происходит, если прикладывать напряжение к металлам. При прохождении через контакт тока в разных направлениях капля то превращалась в лед, то испарялась. Ленц сделал вывод, что от направления тока зависит, будет ли нагреваться или охлаждаться контакт.

Эффект Зеебека объясняется несколькими физическими принципами. В результате повышения температуры в одном из проводников электроны (или «дыры» - носители заряда в полупроводниках, если их используют для термопары) становятся подвижными и передвигаются в зону с меньшей температурой. Нагретый конец цепи становится положительно заряженным, а холодный из-за миграции электронов - отрицательно заряженным, между концами термопары появляется электрическое напряжение. Также у материалов разные энергии Ферми - это наибольшая энергия, которую имеют электроны при нулевой температуре. В зоне спая они выравниваются, и нагрев одного из металлов приводит к тому, что электроны, занимающие больший энергетический уровень, движутся в зону с меньшим потенциалом, и через термопару проходит ток. В эффекте Пельтье электроны должны преодолеть разность потенциалов в спайке термопары. И в зависимости от направления своего движения они или впитывают тепло, становясь более подвижными и охлаждая спай, или отдают избыточную энергию и тогда контакт нагревается.

Термоэлектрический эффект позволяет непосредственно превратить тепло в электрическую энергию. При обычном способе получения энергии на тепловых или атомных электростанциях энергия топлива превращается в тепловую. Вследствие, например, испарения воды она превращается в механическую энергию в турбине, а турбина уже запускает генератор электрической энергии. Именно отсутствие подвижной части - турбины - и делает термоэлектрические батареи такими надежными, что они могут работать в космосе десятки лет.

В тему: 10 технологий изменят наш мир в ближайшее время [9]

Кроме получения энергии в экстремальных условиях устройства на основе термоэлектриков используют в системах охлаждения: бытовых холодильниках и промышленных холодильных системах. Автомобильные компании испытывают термоэлектрические генераторы: от 60% тепла, которое генерируют двигатели внутреннего сгорания [10], тратится впустую. Превращение его части в электрическую энергию позволит уменьшить использование топлива до 10%. Термоэлектрические микромодули применяют в микроэлектронике. Они работают даже при разнице температур всего 10 градусов. Некоторые компании предлагают термоэлектрическую зарядку для смартфонов для туристов - подпитывается она от обычного костра. Разработанный во время Второй мировой войны в Ленинграде термоэлектрический котелок работал благодаря разности температур между кипятившейся водой (100°С) и очагом (300-400°С). Такие котелки использовали партизаны и разведчики, чтобы заряжать рации и вести радиопередачи из глухих лесов.

Типичная термопара. Один спай поддерживается при высокой температуре T1, а другой присоединен к измерительному устройству при низкой температуре T2

Требования к термоэлектрическим материалам достаточно высоки. Они должны одновременно хорошо проводить ток и плохо - тепло. Редкое сочетание, ведь эти два свойства тесно связаны. То, насколько хорошо такие материалы превращают тепло в электрическую энергию, характеризуется коэффициентом ZT. Лучшие соединения на основе теллурида висмута имеют ZT в интервале от 2,5 до 2,8. Около 300 лабораторий по всему миру работает над повышением коэффициента, в частности в черновицком Институте термоэлектричества НАНУ. В ноябре в журнале Nature вышла статья ученых из Венского технологического института, которые изобрели материал с рекордными термоэлектрическими свойствами. Тонкая пленка из сплава железа, ванадия, алюминия и вольфрама показывает термоэлектрический коэффициент до 6. По мнению руководителя проекта профессора Эрнста Байера, она пригодится для устройств интернета вещей. В сложных системах из многих объединенных устройств трудно провести питание ко всем элементам, поэтому у каждого из них должен быть собственный источник энергии. Например, из термоэлектрической пленки.

Так как висмут и теллур довольно редкие материалы, к тому же токсичные, им ищут замену. Перспективный термоэлектрик - селенид олова. В 2013 году ученые показали, что при температуре выше 500°С он может конвертировать 20% тепла в электроэнергию. То есть генерирует 20 Вт энергии от тепла мощностью 100 Вт. При такой температуре в материале меняется кристаллическая структура, что приводит к уменьшению теплопроводности, а вот электрические свойства остаются те же: он идеально подходит под два условия хорошего термоэлектрика. В этом году исследователи из Германии установили, что большое давление (около 100 тыс. атмосфер) обеспечивает такой же эффект в селениде олова и при комнатной температуре. В перспективе это поможет заменить редкие висмут и теллур на распространенные материалы.

В тему: Ткань и одежда будущего [11]

Исследователи из Института материаловедения в Барселоне, вписавшись в тренд на экологически безопасные материалы, изобрели в этом году термоэлектрическую «бумагу». Она максимально экологична, «выращивается» в лаборатории бактериями, которые помещают в наполненную сахаром и углеродными нанотрубками среду. «Бумага» стабильна до 250°С и гибкая. В своей статье в журнале Energy & Environmental Science ученые продемонстрировали, как она работает даже при сильной деформации.

Поиск термоэлектриков с большим коэффициентом ZT - среди основных задач современного материаловедения. Если удастся найти дешевые заменители теллурида висмута с лучшими свойствами, термоэлектрики станут одним из двигателей развития микроэлектроники, а также альтернативных источников энергии. Ведь термоэлектрические генераторы могут работать десятки лет, используя только тепло, которое в современной технике в основном расходуется без всякой эффективности.

—

Олег Фея, опубликовано в издании Тиждень [2]

Перевод: Аргумент [12]

В тему: