Наноразмерные колонны повысят эффективность термоэлектрических преобразований

Наноразмерные колонны повысят эффективность термоэлектрических преобразований

Учёные из Университета Колорадо в Боулдере нашли метод радикального улучшения термоэлектрических материалов. Их теоретическое открытие может привести к разработке идеальных солнечных панелей, энергоэффективного оборудования охлаждения а также к созданию устройств, каковые перевоплотят в нужную энергию огромные тепловые утраты, сопровождающие выработку электричества.

Термоэлектрический эффект, в первый раз найденный в 1800-х годах, содержится в способности некоторых материалов генерировать электрический ток под действием отличия температур различных участков примера материала. Иными словами, в случае если нагреть одну оконечность термоэлектрической пластины, покинув вторую холодной, то материал делается источником электрического тока. Процесс обратимый, что свидетельствует разную степень нагрева оконечностей материала при прохождении тока через него.

Термоэлектрические материалы используются сейчас в бытовых и научных устройствах. К примеру, в сумках-холодильниках либо для охлаждения прецизионных устройств. Но, широкому распространению нужной разработке мешает фундаментальный недочёт, средство против которого ищут уже много лет.

Дело в том, что теплопроводность и электропроводность материалов, в большинстве случаев, взаимосвязаны.

При создании отличия температур для получения электрического тока появляется несоответствие. Для большого значения силы тока требуется высокая электрическая проводимость материала. Но она сопровождается высокой теплопроводностью, что увеличивает теплопотери, снижает отличие температуры и, как следствие, ведёт к падению силы эффективности и уменьшению тока преобразования.

Прошлые поиски решения проблемы заключались в поиске материалов, в которых это несоответствие проявлялось бы в меньшей степени. «Около 20 лет назад люди разглядывали химию материалов, — говорит инициатор изучения Махмуд Хусейн (Mahmoud Hussein), доцент кафедры космической инженерии. — Но позже пришли нанотехнологии, каковые разрешили конструировать материалы с нужными особенностями».

В новом изучении, размещённом в издании Physical Review Letters, Хуссейн вместе с соавтором Брюсом Дэвисом (Bruce Davis) продемонстрировал, что нанотехнологии смогут быть использованы для замедления теплопередачи, не воздействуя на перемещение электронов. Концептуально новый материал является массивом наноразмерных колонн поверх страницы термоэлектрического материала, для того чтобы как кремний. В следствии формируется то, что исследователи назвали нанофононическим метаматериалом (nanophononic metamaterial).

Тепло распространяется в материала в виде серии колебаний, известных как фононы. Атомы из которых состоят миниатюрные колонны также вибрируют, но с другой частотой. Применяя компьютерную модель Хусейн и Дэвис продемонстрировали, что сотрудничество фононов и колебаний столбов приведёт к замедлению распространения тепла. Исследователи уверены в том, что их наноразмерные колонны способны, как минимум, в два раза уменьшить поток тепла.

Наряду с этим вибрации не мешают электрическому току.

«В случае если мы сможем существенно улучшить термоэлектрическое преобразование энергии, это будет принципиально важно для практических приложений, — вычисляет Хусейн. — К ним относится захват отработанного тепла, испускаемого разными устройствами — от ноутбуков до машин, электростанций — и превращение тепла в электричество. Улучшение термоэлектрики кроме этого может существенно повысить эффективность солнечных холодильных устройств и батарей».

Следующим шагом для учёных станут лабораторные изучения, проверка и создание колонн модельных результатов в лабораторных опытах. «Мы все ещё находимся на ранней стадии лабораторной демонстрации, но оставшиеся шаги в пределах досягаемости», — сообщил Хусейн.

по данным UCB

Колонна (1968)


Темы которые будут Вам интересны: