Сотрудники Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» разработали экономичный и быстрый способ изготавливать материал, из которого делают высокоэффективные термоэлектрические генераторы для космических аппаратов. Такой материал способен напрямую преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Статья с результатами работы вышла в Journal of Materials Chemistry A.
Эффект преобразования тепловой энергии в электрическую обнаружил еще в 1821 году немецкий физик Томас Зеебек. Однако технологии, позволяющие использовать эффект Зеебека в промышленных масштабах, до сих пор далеки от совершенства. Тем не менее термоэлектрические материалы уже активно используются в энергетике и холодильных установках, работающие от тепла радиоактивного распада термоэлектрогенераторы установлены на таких всемирно известных космических аппаратах, как Cassini и New Horizons. На том же принципе работает электрогенератор марсохода Curiosity. Есть и более приземленные примеры: например, ведутся разработки теплоэлектрогенераторов, способных повысить эффективность различных видов электростанций, есть примеры получения электроэнергии от тепла, передаваемого через элементы выхлопной системы автомобиля.
Полученные в НИТУ «МИСиС» термоэлектрические материалы сочетают в себе два вида атомов: жестко закрепленные в узлах кристаллической решетки, что обеспечивает высокую электропроводность, и свободно колеблющиеся, что резко снижает теплопроводность, потому что слабо связанные с кристаллическим каркасом атомы эффективно рассеивают тепло. Такого сочетания удалось добиться за счет создания интерметаллидов, кристаллическая структура которых содержит пустоты. Заполняя их «гостевыми» атомами без нарушения кристаллической решетки, ученые и получают необходимое сочетание свойств.
«Нам удалось решить проблему за счет использования индия в качестве заполнителя и подбора исходного соотношения металлов, которое позволило синтезировать нужный термоэлектрический состав в открытом реакторе, — рассказывает член научной группы, сотрудник Центра энергоэффективности НИТУ „МИСиС“ Андрей Воронин. — Благодаря такому подходу мы смогли провести синтез в открытом реакторе всего за две минуты с последующим отжигом получившегося образца в течение пяти часов. Сочетание используемого материала и особенностей синтеза ускорило процесс создания в несколько десятков раз, что также сказывается и на стоимости получения таких материалов. При этом достигнутые значения термоэлектрической эффективности ZT = 1,5 стали рекордными для скуттерудитов с одним видом „гостевых“ атомов».
Как говорят авторы новой работы, предложенные ранее схемы получения термоэлектрических материалов были намного более дорогими и длительными.
