Мини-генератор дешево превращает тепло в электричество

Законы термодинамики не позволяют нам получить что-то из ничего. Всякий раз, когда вы тратите энергию, у вас есть отходы, чаще всего – это тепло. Попытка «утилизировать» часть этого тепла была целью долгое время. Теперь исследователи разработали новый подход, который может использоваться для небольших устройств, таких как дистанционные датчики или носимые технологии. О новой технологии сообщается в журнале Naturе 27-го апреля.

Исследователи из Токийского университета разработали тонкий термоэлектрический генератор на основе железа, который преобразует тепло в электричество и может питать устройства с низким потреблением энергии. Недавно анонсированный генератор использует железо и алюминий или галлий. Это выгодно по трем причинам: эти металлы нетоксичны, материал может быть сформован во множество различных форм, а элементы довольно распространены, что делает его производство доступным.

«До сих пор все исследования по термоэлектрической генерации были сосредоточены на установленном, но ограниченном эффекте Зеебека», – говорит старший автор исследования, профессор Сатору Накацудзи. «Мы же сосредоточились на относительно менее знакомом явлении, называемом аномальным эффектом Нернста (ANE)».

ANE позволило команде генерировать ток, перпендикулярно градиенту температуры, а не параллельно. Это выгодно, поскольку мини-генераторы можно формировать таким образом, чтобы они идеально подходили для носимых технологий. Генератор помещается между горячим и холодным телом, но есть ключевое отличие. Представьте себе генератор на вашей коже, например: когда ваше тело излучает тепло, оно производит ток. В установке Seebeck генерируемый ток идет в том же направлении, что и тепло, поэтому устройство должно быть определенной толщины, чтобы оно того стоило. В установке ANE ток идет перпендикулярно теплу и движется параллельно коже, что позволяет создавать гораздо более тонкие генераторы.

Термоэлектрические устройства на основе аномального эффекта Нернста (слева) и эффекта Зеебека (справа). (V) представляет направление тока, (T) градиент температуры и (M) магнитное поле.

«Мы сделали материал, который на 75 процентов состоит из железа и на 25 процентов из алюминия (Fe3Al) или галлия (Fe3Ga) с помощью процесса, называемого легированием», – пояснил соавтор доктор Акито Сакаи. «Это значительно повысило ANE. Мы увидели двадцатикратный скачок напряжения по сравнению с нелегированными образцами».

Разработка новых материалов для использования некоторых изворотливых физических законов часто является трудоемким процессом проб и ошибок. Повторные итерации необходимы и часто используют материалы, поначалу слишком дорогие и трудоемкие для крупномасштабного производства. Команда использовала новейшие мощные компьютерные симуляции для планирования, что позволило им найти нужные материалы для тестирования.

«Численные расчеты внесли большой вклад в наше открытие; например, высокоскоростные автоматические расчеты помогли нам найти подходящие материалы для испытаний», – сказал Накацудзи. 

doi.org/10.1038/s41586-020-2230-z

Вас также может заинтересовать:

• MIT сделали футболку, которая контролирует частоту сердечных сокращений
• Разработано прозрачное окно, которое собирает солнечную энергию
• Новая карбоновая мембрана генерирует в сто раз больше энергии