Материал эффективно генерирует электричество из тепла

Новый тип материала очень эффективно генерирует электрический ток за счет разности температур. Это позволит датчикам и небольшим процессорам снабжать себя энергией без проводов

Термоэлектрические материалы могут преобразовывать тепло в электрическую энергию. Это связано с так называемым эффектом Зеебека: если существует разница температур между двумя концами такого материала, то может возникнуть электрическое напряжение и начать течь электрический ток.

Количество электрической энергии, которую можно генерировать при данной разности температур, измеряется так называемым значением ZT - чем это значение выше, тем лучше термоэлектрические свойства материала.

Лучшие термоэлектрики на сегодняшний день имеют значения ZT от 2,5 до 2,8. Ученые из Венского технического университета в настоящее время преуспели в разработке совершенно нового материала со значением ZT от 5 до 6. Это тонкий слой комбинации железа, ванадия, вольфрама и алюминия, нанесенный на кристалл кремния.

Новый материал настолько эффективен, что его можно использовать для обеспечения энергией датчиков или даже небольших компьютерных процессоров. Вместо того, чтобы подключать небольшие электрические устройства к кабелям, они могут генерировать свое собственное электричество из-за разницы температур. О новом материале можно почитать в журнале Nature.

Электричество и температура

«Хороший термоэлектрический материал должен демонстрировать сильный эффект Зеебека, и он должен отвечать двум важным требованиям, которые трудно сочетать». «С одной стороны, он должен проводить электричество максимально хорошо, а с другой, он должен передавать тепло настолько плохо, насколько это возможно. Это сложная задача, поскольку электропроводность и теплопроводность обычно тесно связаны».

В Христианской доплеровской лаборатории термоэлектричества Венского технического университета, которую Эрнст Бауэр создал в 2013 году, за последние несколько лет были изучено множество термоэлектрических материалов для различного применения. Это привело к открытию особенно замечательного из них, состоящего из комбинации железа, ванадия, вольфрама и алюминия.

«Атомы в этом материале обычно располагаются строго последовательно, в так называемой гранецентрированной кубической решетке». «Расстояние между двумя атомами железа всегда одинаково, то же самое верно и для других типов атомов. Таким образом, весь кристалл является абсолютно упорядоченным».

Однако, когда тонкий слой материала наносится на кремний, происходит нечто удивительное - его структура кардинально меняется. Хотя в целом атомы сохраняют все еще кубическую структуру, теперь они расположены в пространственно-центрированном порядке, а распределение атомов разных типов становится совершенно случайным.

«Два атома железа могут находиться рядом друг с другом, места рядом с ними могут быть заняты ванадием или алюминием, и больше не существует никаких правил, определяющих, где будет находиться следующий атом железа в кристалле».

Эта смесь регулярности и нерегулярности расположения атомов также изменяет электронную структуру материала, которая определяет, как электроны движутся в твердом теле. «Электрический заряд проходит через материал особым образом, так что он защищен от процессов рассеивания. Части заряда, проходящие через материал, называются фермионами Вейля». Таким образом достигается очень низкое электрическое сопротивление.

С другой стороны, колебания решетки, которые переносят тепло из мест с высокой температурой в места с низкой, подавляются неравномерностями в кристаллической структуре. Таким образом, теплопроводность уменьшается.

Это важно, если электрическая энергия из-за разности температур должна генерироваться постоянно, потому что, если разности температур очень быстро уравновесятся и весь материал будет иметь одинаковую температуру везде, термоэлектрический эффект остановится.

«Конечно, такой тонкий слой не может генерировать особенно большое количество энергии, но преимущество заключается в том, что он чрезвычайно компактен и адаптируем». «Эффект можно использовать для обеспечения энергией датчиков и небольших электронных устройств».

Спрос на такие маленькие генераторы быстро растет. Сейчас все больше и больше устройств становятся связанными друг с другом в сети, так что они автоматически координируют свое поведение между собой. Это особенно перспективно для будущих производственных предприятий, где одна машина должна динамически реагировать на другую.

«Если требуется большое количество датчиков на заводе, и нет возможности соединить их все вместе. Гораздо разумнее, чтобы датчики могли генерировать свою собственную энергию с помощью небольшого термоэлектрического устройства».

Источник: TU Wien