Исследовательская группа NIST под руководством Криса Бертнесса изучает новый метод преобразования тепла в электричество и разработала устройство для этого. Как только эта технология будет усовершенствована, она будет преобразовывать тепло в электричество, которое в противном случае тратилось бы впустую. Исследование основано на открытии немецкого физика Томаса Зеебека. Эта группа также включила открытие, сделанное Махмудом Хусейном, в свое исследование термоэлектрического преобразования.
Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новое устройство, которое, в случае идеального совершенствования, сможет успешно преобразовывать тепло в электричество. Эта технология потенциально может позволить утилизировать растраченную тепловую энергию в Соединенных Штатах, которая, по оценкам, теряется в огромных количествах — около 100 миллиардов долларов в год.
Крис Бертнесс , исследовательница из NIST, и ее команда разработали эту технику. Она включает в себя нанесение тысяч микроскопических столбиков нитрида галлия на кремниевую подложку. Затем кремний послойно отделяется от нижней стороны подложки, пока не останется только тонкий слой. Благодаря взаимодействию между столбиками и кремниевым слоем, замедляющему теплопередачу в материале, больше тепла может быть преобразовано в электрический ток.
Кремниевые листы могут быть обернуты вокруг паровых или выхлопных труб после того, как будет разработан процесс изготовления для преобразования тепловых выбросов в электричество, которое может быть использовано для питания близлежащих устройств или отправлено в электросеть. Охлаждение компьютерных чипов может быть еще одним возможным потенциальным применением.
Немецкий физик Томас Зеебек первым заметил необычное явление, которое послужило основой для исследования, проведенного Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) при Университете Колорадо. В начале 1820-х годов Зеебек начал исследовать петлю, образованную двумя металлическими проволоками различного состава, соединенными на обоих концах. Он заметил, что по мере изменения температуры двух соединений, удерживающих проволоки вместе, стрелка компаса, находящегося рядом, отклонялась.
Другие исследователи обнаружили, что разница температур между двумя областями создавала напряжение и приводила к возникновению тока, вызывающего отклонение. Магнитное поле, создаваемое этим током, заставляло стрелку компаса менять направление.
Теоретически, эффект Зеебека , позволяющий преобразовывать тепло в электричество, мог бы стать лучшим методом повторного использования тепловой энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую. Но существовало существенное препятствие.
Чтобы поддерживать разницу температур, материал должен иметь низкую теплопроводность и высокую электропроводность, чтобы генерировать значительное количество электроэнергии. Однако большинство материалов проявляют как электропроводность, так и теплопроводность; плохой проводник электричества также проявляет плохую теплопроводность, и наоборот.
Махмуд Хуссейн из Университета Колорадо в ходе своих исследований физики термоэлектрического преобразования обнаружил, что эти свойства можно разделить в тонкой мембране, покрытой наностолбиками — вертикально стоящими колоннами материала длиной не более нескольких миллионных долей метра, или примерно одной десятой толщины человеческого волоса. Его открытие вдохновило команду и Бертнесса на работу над этой технологией.
С помощью наностолбиков Бертнесс, Хуссейн и их коллеги смогли успешно разделить теплопроводность кремниевого листа и его электропроводность . Это первый случай для любого материала и значительный шаг на пути к созданию эффективного преобразования тепла в электричество.
Не влияя на электропроводность и не изменяя эффект Зеебека, исследователям удалось снизить теплопроводность кремниевого листа на 21%.
Читайте также: Что такое примесный полупроводник?
Атомы связаны между собой связями и не могут свободно перемещаться для проведения тепла в кремнии и других материалах. В результате движение тепловой энергии проявляется в виде движущихся фононов, которые являются коллективными колебаниями атомов. Как кремниевый лист, так и наностолбики нитрида галлия переносят фононы; однако фононы внутри наностолбиков представляют собой стоячие волны, которые удерживаются неподвижными на обоих концах стенками крошечных столбиков.
Взаимодействие фононов и колебаний замедляет распространение фононов, затрудняя прохождение тепла через материал. В результате теплопроводность снижается, а разница температур от одного конца до другого увеличивается. При этом электрическая проводимость кремниевого листа остается неизменной.
Теперь команда работает исключительно над кремниевыми структурами и следует лучшей геометрии для термоэлектрического восстановления тепла. Они ожидают продемонстрировать высокую скорость преобразования тепла в электричество. Скорость преобразования гарантирует, что технология станет экономически жизнеспособной для отрасли.
Источник: Пресс-релиз NIST
