Loading

Наноразмерные колонны повысят эффективность термоэлектрических преобразований

Создано 06.03.2014 20:30
Автор: Алексей Норкин

Наноразмерные колонны повысят эффективность термоэлектрических преобразований

Учёные из Университета Колорадо в Боулдере нашли способ радикального улучшения термоэлектрических материалов. Их теоретическое открытие может привести к разработке совершенных солнечных панелей, энергоэффективного оборудования охлаждения и даже к созданию устройств, которые превратят в полезную энергию огромные тепловые потери, сопровождающие выработку электричества.

Термоэлектрический эффект, впервые обнаруженный в 1800-х годах, заключается в способности некоторых материалов генерировать электрический ток под действием разницы температур разных участков образца материала. Иными словами, если нагреть одну оконечность термоэлектрической пластины, оставив вторую холодной, то материал становится источником электрического тока. Процесс обратимый, что означает различную степень нагрева оконечностей материала при прохождении тока через него.

Термоэлектрические материалы применяются сегодня в бытовых и научных устройствах. Например, в сумках-холодильниках или для охлаждения прецизионных приборов. Однако, широкому распространению полезной технологии мешает фундаментальный недостаток, средство против которого ищут уже несколько десятилетий. Дело в том, что электропроводность и теплопроводность материалов, как правило, взаимосвязаны.

При создании разницы температур ради получения электрического тока возникает противоречие. Для максимального значения силы тока требуется высокая электрическая проводимость материала. Но она сопровождается высокой теплопроводностью, что увеличивает потери тепла, снижает разницу температуры и, как следствие, ведёт к уменьшению силы тока и падению эффективности преобразования.

Инициатор исследования Махмуд Хусейн (Mahmoud Hussein), доцент кафедры аэрокосмической инженерии
Предыдущие поиски решения проблемы заключались в поиске материалов, в которых это противоречие проявлялось бы в меньшей степени. «Около 20 лет назад люди рассматривали химию материалов, - рассказывает инициатор исследования Махмуд Хусейн (Mahmoud Hussein), доцент кафедры аэрокосмической инженерии. - Но потом пришли нанотехнологии, которые позволили конструировать материалы с нужными свойствами».

В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, Хуссейн вместе с соавтором Брюсом Дэвисом (Bruce Davis) показал, что нанотехнологии могут быть использованы для замедления передачи тепла, не влияя на движение электронов. Концептуально новый материал представляет собой массив наноразмерных колонн поверх листа термоэлектрического материала, такого как кремний. В результате формируется то, что исследователи назвали нанофононическим метаматериалом (nanophononic metamaterial).

Соавтор исследования Брюс Дэвис (Bruce Davis)Тепло распространяется внутри материала в виде серии колебаний, известных как фононы. Атомы из которых состоят миниатюрные колонны тоже вибрируют, но с иной частотой. Используя компьютерную модель Дэвис и Хусейн показали, что взаимодействие колебаний столбов и фононов приведёт к замедлению распространения тепла. Исследователи считают, что их наноразмерные колонны способны, как минимум, вдвое уменьшить поток тепла. При этом вибрации не мешают электрическому току.

«Если мы сможем значительно улучшить термоэлектрическое преобразование энергии, это будет важно для практических приложений, - считает Хусейн. - К ним относится захват отработанного тепла, испускаемого различными устройствами - от ноутбуков до автомобилей, электростанций — и превращение тепла в электричество. Улучшение термоэлектрики также может значительно повысить эффективность солнечных батарей и холодильных устройств».

Следующим шагом для учёных станут лабораторные исследования, создание колонн и проверка модельных результатов в лабораторных экспериментах. «Мы все ещё находимся на ранней стадии лабораторной демонстрации, но оставшиеся шаги в пределах досягаемости», - сказал Хусейн.

Facepla.net по материалам UCB

Комментарии: