Легко превратить электричество в тепло — любая электроплита наглядно доказывает это. Но возможен ли обратный процесс? Можно ли превращать тепло непосредственно в электроэнергию, минуя паровые турбины и другие промежуточные механизмы?
Более 200 лет назад физик Томас Зеебек однозначно подтвердил такую возможность. Он установил, что некоторые специальные материалы, называемые термоэлектриками, начинают вырабатывать ток, если с одной стороны их нагревать, а с другой — охлаждать. Возникающая разница температур создает электрический заряд без использования механических генераторов. Сегодня этот феномен известен как эффект Зеебека, пишет Phys.org.
Команда под руководством профессора Андрея Пустогова из Венского технического университета занимается поиском новых материалов с повышенными термоэлектрическими качествами. Недавно им удалось достичь значительных успехов благодаря оригинальному решению.
«Несмотря на столетие интенсивных исследований полупроводниковых материалов, с момента открытия соединений теллурида висмута в 1950-х годах не было никаких существенных достижений, которые привели бы к широкому повседневному использованию этой технологии. Теперь мы сделали большой шаг вперед — с металлическими материалами, которые до сих пор не были в центре внимания в этой области», — комментирует эксперт.
Эффект Зеебека обусловлен тем, что подвижность положительных и отрицательных носителей заряда определяется особенностями материала и температурой. Допустим, имеется полупроводник, в котором перемещаются только отрицательные электрические заряды. Изначально они равномерно распределяются по материалу, обеспечивая его нейтральность. Если одну сторону нагреть, а другую остудить, носители начнут быстрее передвигаться на горячей стороне, отчего в холодном секторе окажется избыток электронов. Таким образом возникает разность потенциалов, из которой можно получать ток.
В большинстве металлов присутствуют как положительно, так и отрицательно заряженные переносчики тока. Поскольку оба вида частиц скапливаются преимущественно на холодной стороне, положительный и отрицательный заряды компенсируют друг друга, и напряжения не возникает. Именно поэтому металлические материалы традиционно считаются неподходящими для термоэлектрических целей.
«До недавнего времени считалось, что металлы бесполезны для преобразования тепла в электричество. Мы же сумели доказать обратное: при правильном подходе металлы могут стать выдающимися термоэлектриками», — подчеркивает специалист.
Основной секрет заключается в обеспечении различной скорости движения положительных и отрицательных зарядов. Можно сравнить перемещение зарядов с движением автомобилей по трассе: положительные заряды движутся по левой полосе, а отрицательные — по правой. Создание «электронной пробки» на левой полосе заблокирует продвижение положительных зарядов, в то время как отрицательные продолжат спокойно течь по правой полосе. Такой подход позволяет создавать эффективные термоэлектрики, даже если в материале присутствуют носители обоих зарядов.
«Электронная пробка» достигается введением в структуру материала дополнительного числа статичных носителей заряда. Ученые успешно подтвердили работоспособность метода на примере сплавов никеля и золота еще в 2023 году. «Вскоре мы обнаружили намного более бюджетную замену золотосодержащему составу — это комбинация никеля и индия», — делится Фабиан Гармруди, первый автор исследования. Продолжая поиски новых, особенно бюджетных решений, эксперты обратили внимание на так называемые металлы Кагоме. Слово «кагоме» заимствовано из японского языка и связано с традиционным рисунком плетеных корзин из бамбука, состоящих из чередующихся шестигранников и треугольников.
«Интересно, что в природе существуют материалы, чьи атомы организованы подобным образом. Мы именуем такое расположение “геометрической фрустрацией”. Заряженные частицы в таком расположении могут стать крайне неподвижными и оказаться запертыми внутри фигур Кагоме», — уточняет эксперт.
Научная группа сумела установить, что структура Кагоме приводит к сильному увеличению эффекта Зеебека — значительно более мощному, чем у традиционных сплавов никель-золото. Здесь отрицательные заряды свободно проходят через материал, в то время как накопившиеся положительные создают сильный градиент, что гарантирует высокую эффективность: новейшие термоэлектрики на основе металлов Кагоме потенциально превосходят аналогичные решения на основе теллурида висмута.
Тем времнем российские ученые разработали «электронный язык». Рассказали, зачем он нужен.
