Установлено, что обычную тепловую энергию, которая выделяеся в процессе работы самых различных устройств и электронных схем, можно преобразовать в электрическую с помощью специальных нанопроводников с толщиной, которая сопоставима с атомными масштабами. Согласно результатам недавних исследований ученых из университетов Уорика, Кембриджа и Бирмингема, выявленная высокая эффективность данного метода сбора тепловой энергии превосходит показатели всех существующих аналогов. Это позволяет рассматривать новую технологию как перспективный способ получения дополнительной электроэнергии. Традиционно преобразование вторичного тепла в электричество осуществляется с использованием пироэлектрических материалов, однако устройства на их основе характеризуются относительно низкой эффективностью.

“В отличие от обычных объемных пироэлектрических материалов отдельные нанопроводники проводят через себя меньше тепла и больше электричества” – рассказывает доктор Андрей Василенко (Dr Andrij Vasylenko), – “Такие уникальные свойства нанопроводников обуславливают крайне высокую эффективность преобразования”.

Нанопроводники, преобразовывающие тепло в электричество, выращиваются путем особой кристаллизации теллурида олова внутри очень тонких углеродных нанотрубок. Эти нанотрубки выступают в роли шаблонов, не давая кристаллу материала увеличиваться в толщине во время выращивания.

Во время проведения теоретической части данных исследований ученые вывели, что между размерами нанотрубки – шаблона и эффективностью термоэлектрического преобразования одного нанопроводника существует достаточно крутая прямая зависимость. И все это было подтверждено позже экспериментальным путем при помощи нанотрубок различного диаметра и выращенных внутри них нанопроводников из теллурида олова.

“Все это открывает возможности к изготовлению миниатюрных термоэлектрических генераторов следующего поколения, обладающих высокой эффективностью” – рассказывает доктор Василенко, – “Кроме этого, при помощи такого же самого подхода, мы сможем найти и другие варианты термоэлектрических материалов, которые не содержат токсичных и состоят из достаточно распространенных химических элементов, встречающихся в природе в больших количествах”.

Для любознательных

В современном мире энергетика стоит на пороге новой эры — эры термоэлектричества. Технология преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью нанопроводников открывает невероятные перспективы для повышения эффективности использования возобновляемых источников энергии и создания новых экологически чистых технологий.

Принцип работы

Термоэлектрические преобразователи, или термоэлементы, основаны на эффекте Зеебека. Суть этого явления заключается в возникновении электрического напряжения на концах проводника при наличии разницы температур. Современные исследования фокусируются на использовании нанопроводников — материалов с уникальными свойствами, которые позволяют значительно повысить эффективность преобразования тепла в электричество.

Благодаря нанотехнологиям удалось создать материалы с рекордно высокой термоэлектрической эффективностью. Нанопроводники обладают огромной площадью поверхности при малом объёме, что позволяет значительно увеличить контакт между горячим и холодным спаями термоэлемента и, соответственно, повысить эффективность преобразования энергии.

Мировые разработки

Мировое научное сообщество активно работает над совершенствованием термоэлектрических технологий. Лидерами в этой области являются:

• США — Национальный институт стандартов и технологий (NIST) разрабатывает новые материалы на основе наноматериалов;
• Япония — компания Sumitomo разрабатывает высокоэффективные термоэлектрические генераторы для промышленного применения;
• Европейский союз — ряд исследовательских проектов финансируется через программы Horizon 2020, направленные на создание инновационных термоэлектрических материалов.

Российские разработки

В России также ведутся активные исследования в этой области. Среди ключевых игроков можно выделить:

• Институт физики твёрдого тела РАН — проводит фундаментальные исследования в области термоэлектричества;
• МФТИ — готовит специалистов и проводит разработки новых материалов;
• ряд технологических компаний — работают над созданием прототипов термоэлектрических генераторов для различных применений.

Перспективы и применение

Термоэлектрические преобразователи на основе нанопроводников имеют огромный потенциал для применения в различных областях:

• энергетика — повышение эффективности солнечных панелей и других источников возобновляемой энергии;
• транспорт — создание более эффективных систем охлаждения двигателей;
• бытовая техника — повышение энергоэффективности холодильников и тепловых насосов;
• космическая техника — обеспечение автономных источников питания для космических аппаратов.

Заключение

Преобразование тепла в электричество с помощью нанопроводников — одно из самых перспективных направлений современной энергетики. Благодаря активным исследованиям как в России, так и за рубежом, эта технология имеет все шансы стать основой для создания новых экологически чистых и эффективных источников энергии, которые помогут человечеству решить многие энергетические проблемы в будущем.