Екологія
Нанорозмірні колони підвищать ефективність термоелектричних перетворень
Вчені з Університету Колорадо в Боулдері знайшли спосіб радикального поліпшення термоелектричних матеріалів. Їх теоретичне відкриття може привести до розробки досконаліших сонячних панелей, енергоефективного обладнання охолодження і навіть до створення пристроїв, які перетворять в корисну енергію величезні теплові втрати, що супроводжують вироблення електрики.
Термоелектричний ефект, вперше виявлений в 1800-х роках, полягає в здатності деяких матеріалів генерувати електричний струм під дією різниці температур різних ділянок зразка матеріалу. Іншими словами, якщо нагріти одну край термоелектричної пластини, залишивши другу холодною, то матеріал стає джерелом електричного струму. Процес оборотний, що означає різну ступінь нагріву оконечностей матеріалу при проходженні струму через нього.
Термоелектричні матеріали застосовуються сьогодні в побутових і наукових пристроях. Наприклад, в сумках-холодильниках або для охолодження прецизійних приладів. Однак, широкому розповсюдженню корисної технології заважає фундаментальний недолік, засіб проти якого шукають вже кілька десятиліть. Справа в тому, що електропровідність і теплопровідність матеріалів, як правило, взаємопов'язані.
При створенні різниці температур заради отримання електричного струму виникає протиріччя. Для максимального значення сили струму потрібна висока електрична провідність матеріалу. Але вона супроводжується високою теплопровідністю, що збільшує втрати тепла, знижує різницю температури і, як наслідок, веде до зменшення сили струму і падіння ефективності перетворення.
Попередні пошуки вирішення проблеми полягали в пошуку матеріалів, у яких це протиріччя проявлялося б у меншій мірі. «Близько 20 років тому люди розглядали хімію матеріалів, - розповідає ініціатор дослідження Махмуд Хусейн (Mahmoud Hussein), доцент кафедри аерокосмічної інженерії. - Але потім прийшли нанотехнології, які дозволили конструювати матеріали з потрібними властивостями ».
У новому дослідженні, опублікованому в журналі Physical Review Letters, Хуссейн разом зі співавтором Брюсом Девісом (Bruce Davis) показав, що нанотехнології можуть бути використані для уповільнення передачі тепла, не впливаючи на рух електронів. Концептуально новий матеріал являє собою масив нанорозмірних колон поверх листа термоелектричного матеріалу, такого як кремній. В результаті формується те, що дослідники назвали нанофононіческім метаматеріалом (nanophononic metamaterial).
Тепло поширюється усередині матеріалу у вигляді серії коливань, відомих як фонони. Атоми з яких складаються мініатюрні колони теж вібрують, але з іншою частотою. Використовуючи комп'ютерну модель Девіс і Хусейн показали, що взаємодія коливань стовпів і фононів призведе до уповільнення поширення тепла. Дослідники вважають, що їх нанорозмірні колони здатні, як мінімум, удвічі зменшити потік тепла. При цьому вібрації не заважають електричному струму.
«Якщо ми зможемо значно поліпшити термоелектричне перетворення енергії, це буде важливо для практичних застосувань, - вважає Хусейн. - До них відноситься захоплення відпрацьованого тепла, що випускається різними пристроями - від ноутбуків до автомобілів, електростанцій - і перетворення тепла в електрику. Поліпшення термоелектрики також може значно підвищити ефективність сонячних батарей і холодильних пристроїв ».
Наступним кроком для вчених стануть лабораторні дослідження, створення колон і перевірка модельних результатів в лабораторних експериментах. «Ми всі ще перебуваємо на ранній стадії лабораторної демонстрації, але залишилися кроки в межах досяжності», - сказав Хусейн.
Facepla.net за матеріалами UCB
