Електрика з тепла
Від партизанських казанків до космічних апаратів: що таке термоелектрики і як їх використовують
Область Томбо — велетенський кратер на Плутоні, заповнений кристалічним азотом. На світлинах вона трохи світліша за довколишній ландшафт і через характерну форму названа серцем Плутона. Одну з найупізнаваніших фотографій десятиліття, що минає, зробив у липні 2015-го апарат New Horizons, який живиться завдяки термоелектричному ефекту. По суті, він отримує електричну напругу з тепла.
Персонаж Метта Деймона у фільмі «Марсіянин» знайшов апарат Pathfinder. Двигун марсохода з кількома грамами плутонію-238 все ще працював, і герой використав його для встановлення зв’язку із Землею. Сам марсохід живився через сонячну батарею. Він важив лише 10 кг, тоді як досконаліший Curiosity, запущений 2011 року, вже мав масу 899 кг. Сонячного світла на Марсі замало для живлення такого великого апарата, до того ж через пилові бурі марсохід міг не отримувати й тієї енергії. Curiosity збирав наукові дані й постив селфі у Twitter завдяки радіоізотопному термоелектричному генератору (РІТЕГ), який на початку місії забезпечував потужність 125 Вт.
РІТЕГ винайшли в 1954 році працівники Маундівської лабораторії Кен Джордан і Джон Бьорден. Ця лабораторія була частиною американських наукових потужностей, які використовували для розробки ядерної зброї за часів холодної війни. Генератор переводив тепло, що утворювалося в результаті розпаду радіоактивного елемента, в електроенергію завдяки термоелектричному ефекту. Перспективний винахід взяли на озброєння спочатку військові, а потім і дослідники NASA. Такі генератори живили місії Pioneer 10 і Pioneer 11, обидва Voyager, New Horizons. Voyager працюють уже 42 роки, вони перетнули межу Сонячної системи й стали найвіддаленішими штучними об’єктами в історії людства, а їхні генератори, як передбачається, працюватимуть до 2025-го, коли тепла через зменшення маси плутонію-238 стане замало. Однією з версій вибуху 8 серпня цього року на полігоні поблизу російського Сєверодвінська, що призвів до підвищення радіоактивного фону, є якраз використання РІТЕГу для випробовування ракети «Буревестник».
Термоелектричний ефект, що лежить в основі роботи РІТЕГу, відкрив ще 1822 року Томас Зеєбек. Він спаяв пластини з вісмуту та міді, нагрів місце контакту й помітив відхилення стрілки компаса поблизу нього. Так науковець винайшов термопару — ланцюг зі спаяних з одного кінця провідників, які замикаються на вимірювальному приладі. Контакти тримають при різних температурах, і між ними виникає електрична напруга. Що більше нагрітий гарячий контакт термопари, то вона вища. Ці прилади прості й дуже поширені, найчастіше їх використовують для вимірювання температур у діапазоні понад 2000 градусів.
воротне до ефекту Зеєбека явище дослідили в 1830-х Жан Пельтьє та Емілій Ленц. Останній розташовував краплю води біля контакту вісмуту й сурми і спостерігав, що з нею відбувається, якщо прикладати напругу до металів. При проходженні через контакт струму в різних напрямках краплина то перетворювалася на кригу, то випаровувалася. Ленц зробив висновок, що від напрямку струму залежить, нагріватиметься чи охолоджуватиметься контакт.
Ефект Зеєбека пояснюється кількома фізичними принципами. У результаті підвищення температури в одному з провідників електрони (або «дірки» — носії заряду в напівпровідниках, якщо їх використовують для термопари) стають рухливішими й пересуваються в зону з меншою температурою. Нагрітий кінець ланцюга стає позитивно зарядженим, холодний через міграцію електронів — негативно зарядженим, між кінцями термопари з’являється електрична напруга. Також у матеріалів різні енергії Фермі — це найбільша енергія, яку мають електрони за нульової температури. У зоні спаю вони вирівнюються, і нагрівання одного з металів приводить до того, що електрони займають більший енергетичний рівень, рухаються в зону з меншим потенціалом і через термопару проходить струм. В ефекті Пельтьє електрони мають подолати різницю потенціалів у спаї термопари. І залежно від напрямку свого руху вони або вбирають тепло, стаючи рухливішими й охолоджуючи спай, або віддають надлишкову енергію й контакт нагрівається.
Термоелектричний ефект дає змогу безпосередньо перетворити тепло на електричну енергію. За звичайного способу отримання енергії на теплових або атомних електростанціях енергія палива перетворюється на теплову. Внаслідок, наприклад, випаровування води вона перетворюється на механічну енергію в турбіні, а турбіна вже запускає генератор електричної енергії. Саме відсутність рухомої частини — турбіни — і робить термоелектричні батареї такими надійними, що вони можуть працювати в космосі десятки років.
Окрім отримання енергії в екстремальних умовах пристрої на основі термоелектриків використовують у системах охолодження: побутових холодильниках і промислових холодильних системах. Автомобільні компанії випробовують термоелектричні генератори: від 60% тепла, яке генерують двигуни внутрішнього згорання, витрачається марно. Перетворення його частини на електричну енергію дасть змогу зменшити використання палива до 10%. Термоелектричні мікромодулі застосовують у мікроелектроніці. Вони працюють навіть за різниці температур лише 10 градусів. Деякі компанії пропонують термоелектричну зарядку для смартфонів для туристів — підживлюється вона від звичайного вогнища. Розроблений під час Другої світової війни в Ленінграді термоелектричний казанок працював завдяки різниці температур між водою, що кип’ятиться (100 °С), і вогнищем (300–400 °С). Такі казанки використовували партизани та розвідники, щоб заряджати рації й вести радіопередачі з глухих лісів.
Вимоги до термоелектричних матеріалів досить високі. Вони повинні одночасно добре проводити струм і погано — тепло. Нечаста комбінація, адже ці дві властивості тісно пов’язані. Те, наскільки добре такі матеріали перетворюють тепло на електричну енергію, характеризується коефіцієнтом ZT. Найкращі сполуки на основі телуриду вісмуту мають ZT в інтервалі від 2,5 до 2,8. Близько 300 лабораторій по всьому світу працює над підвищенням коефіцієнта, зокрема й у чернівецькому Інституті термоелектрики НАНУ. У листопаді в журналі Nature вийшла стаття науковців із Віденського технологічного інституту, які винайшли матеріал із рекордними термоелектричними властивостями. Тонка плівка зі сплаву заліза, ванадію, алюмінію та вольфраму показує термоелектричний коефіцієнт до 6. На думку керівника проекту професора Ернста Байєра, вона стане в пригоді для пристроїв інтернету речей. У складних системах із багатьох об’єднаних пристроїв важко провести живлення до всіх елементів, тому в кожного з них має бути власне джерело енергії. Наприклад, із термоелектричної плівки.
Через те що вісмут і телур доволі рідкісні матеріали, до того ж токсичні, їм шукають заміну. Перспективний термоелектрик — селенід олова. У 2013 році науковці показали, що за температури понад 500 °С він може конвертувати 20% тепла в електроенергію. Тобто генерує 20 Вт енергії від тепла потужністю 100 Вт. За такої температури в матеріалу змінюється кристалічна структура, що призводить до зменшення теплопровідності, а от електричні властивості залишаються ті самі: він ідеально підходить під дві умови хорошого термоелектрика. Цього року дослідники з Німеччини встановили, що великий тиск (близько 100 тис. атмосфер) забезпечує той самий ефект у селеніді олова й за кімнатної температури. У перспективі це допоможе замінити рідкісні вісмут і телур на поширеніші матеріали.
Дослідники з Інституту матеріалознавства в Барселоні, вписавшись у тренд на екологічно безпечні матеріали, винайшли цього року термоелектричний «папір». Він максимально екологічний, «вирощується» в лабораторії бактеріями, які поміщають у наповнене цукром і вуглецевими нанотрубками середовище. «Папір» стабільний до 250 °С і гнучкий. У своїй статті в журналі Energy & Environmental Science науковці продемонстрували, як він працює навіть за умови сильної деформації.
Пошук термоелектриків із великим коефіцієнтом ZT серед основних завдань сучасного матеріалознавства. Якщо вдасться знайти дешеві замінники телуриду вісмуту з кращими властивостями, термоелектрики стануть одним із рушіїв розвитку мікроелектроніки, а також альтернативних джерел енергії. Адже термоелектричні генератори можуть працювати десятки років, використовуючи лише тепло, яке в сучасній техніці здебільшого витрачається без жодної ефективності.
Олег Фея
Матеріал друкованого видання № 49 (629) від 5 грудня
Матеріал у вільному доступі 10 грудня
Тільки зареєстровані користувачі бачать весь контент у цьому розділі
