Можно ли преобразовать тепло в электричество?
Каждый электрический чайник легко преобразует электричество в тепло. Но возможно ли обратное? Можно ли превратить тепло в электричество — напрямую, без использования паровой турбины или подобных обходных путей?
Физик Томас Зеебек ответил на этот вопрос утвердительно более 200 лет назад. Он показал, что некоторые материалы, известные как термоэлектрические, генерируют электричество при нагревании с одной стороны и охлаждении с другой. Разница температур создаёт электрическую энергию без необходимости в механических генераторах. Это явление теперь известно как эффект Зеебека.
Такие термоэлектрические генераторы очень практичны, когда требуется небольшое количество электрической энергии. Они используются, например, в космических миссиях. Однако известные на сегодняшний день термоэлектрические материалы недостаточно эффективны, чтобы заменить традиционные электростанции в больших масштабах.
Новые горизонты в термоэлектрике
Рабочая группа под руководством профессора Андрея Пустогово в Институте физики твёрдого тела при Венском техническом университете исследует новые материалы с улучшенными термоэлектрическими свойствами. Используя новый подход, им удалось значительно улучшить характеристики термоэлектриков.
Статья опубликована в журнале Physical Review X.
«Несмотря на сто лет интенсивных исследований полупроводниковых материалов, с момента открытия соединений теллурида висмута в 1950-х годах не было значительных достижений, которые привели бы к широкому, повседневному использованию этой технологии», — говорит Пустогоров. «Мы сделали важный шаг вперёд — с металлическими материалами, которые до сих пор не были в центре внимания в этой области».
Эффект Зеебека
Эффект Зеебека основан на том, что подвижность носителей положительных и отрицательных зарядов зависит от материала, с одной стороны, и от температуры — с другой.
«Представим, что у нас есть полупроводник, в котором могут двигаться только отрицательные электрические заряды», — говорит Пустогоров. «Сначала они равномерно распределены по всему материалу, который электрически нейтрален повсюду. Однако, если одну сторону нагреть, а другую охладить, отрицательные носители заряда будут двигаться быстрее и дальше на горячей стороне, так что там будет меньше отрицательного заряда, чем на холодной стороне». Это создаёт разность напряжений, из которой можно получить электрическую энергию.
В большинстве металлических материалов могут двигаться как положительные, так и отрицательные носители заряда. Это означает, что оба типа подвижных носителей заряда имеют тенденцию скапливаться на холодной стороне, а не на горячей. «Плюс и минус уравновешивают друг друга, так что таким образом напряжение не генерируется», — говорит Пустогоров.
«Именно поэтому металлические материалы почти не рассматривались в связи с термоэлектрическим эффектом. Считалось, что они не подходят для этой цели. Однако теперь мы смогли показать, что металлы действительно могут быть отличными термоэлектриками».
Ключевой трюк
Ключевой трюк заключается в том, чтобы обеспечить движение положительных и отрицательных носителей заряда с разной скоростью. «Вы можете представить движение зарядов так, как если бы они были на шоссе», — объясняет Пустогоров. «Положительные заряды движутся по левой полосе, а отрицательные — по правой. Создавая пробку на левой полосе, положительные заряды застревают, в то время как отрицательные заряды беспрепятственно движутся по правой полосе». Таким образом можно получить отличные термоэлектрические свойства, даже если в материале есть как положительные, так и отрицательные носители заряда.
«Пробка» создаётся путём включения в материал дополнительных неподвижных носителей заряда. Команда смогла продемонстрировать, что это работает с некоторыми никель-золотыми сплавами ещё в 2023 году. «Теперь мы нашли значительно более дешёвую альтернативу без золота в соединении никеля и индия», — говорит Фабиан Гармруди, первый автор исследования.
Кагоме-металлы
В поисках новых — и, прежде всего, более дешёвых — альтернатив исследователи наткнулись на так называемые кагоме-металлы. Термин «кагоме» изначально происходит из японского языка и относится к плетёным бамбуковым корзинам со специальным узором из шестиугольников и треугольников, которые соприкасаются по краям.
«Удивительно, но в природе существуют материалы, в которых атомы располагаются именно таким образом. Мы называем это «геометрической фрустрацией»», — объясняет Гармруди. «Например, оказывается, что заряды могут стать чрезвычайно неподвижными и оказываются в ловушке внутри звезды Кагоме».
Исследователи смогли показать, что геометрия Кагоме может привести к чрезвычайно большому эффекту Зеебека — значительно большему, чем у ранее используемых никель-золотых сплавов. В то время как отрицательные заряды беспрепятственно движутся в кагоме-металле, накопление положительных зарядов при комнатной температуре обеспечивает очень высокую эффективность: новые термоэлектрики могут даже превзойти коммерчески доступные термоэлектрики на основе теллурида висмута.
«С этими кагоме-металлами мы нашли золото, и теперь мы систематически улучшаем их термоэлектрические свойства, используя наш опыт в настройке геометрической фрустрации», — говорит Пустогоров, чья команда в TU Wien уже много лет изучает фрустрированные материалы.
Предоставлено Венским университетом технологий.