Сотрудники Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» разработали экономичный и быстрый способ изготавливать материал, который способен напрямую преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Статья с результатами работы вышла в Journal of Materials Chemistry A, популярно об исследовании рассказывает Ресурс Машиностроения.

Эффект преобразования тепловой энергии в электрическую был обнаружен в 1821 году немецким физиком Томаом Зеебеком и звучит как "Если два спая разных проводников имеют неодинаковую температуру, то в цепи течет электрический ток". С ним напрямую связан "Эффект Пельтье": "При протекании тока через цепь, составленную из двух разнородных проводников, на одном спае произойдет выделение, а на другом – поглощение тепла". Но на сегодняшний день нет технологий, который могли бы позволить использовать эффект Зеебека в промышленных масштабах. Тем не менее материалы, способные напрямую преобразовывать тепловую энергию в электрическую, существуют: такие термоэлектрические материалы активно используются в энергетике, холодильных установках. Работающие от тепла радиоактивного распада термоэлектрогенераторы установлены на космических аппаратах: например, на Cassini, NewHorizon, этот же принцип использован при разработке электрогенератора марсохода Curiosity. Также ведутся разработки теплоэлектрогенераторов, способных повысить эффективность различных видов электростанций.

Как полагают ученые НИТУ «МИСиС», созданный ими материал пополнит линейку разработок университета для космоса. Термоэлектрические материалы, созданные ими, сочетают в себе два «вида» атомов: одни жестко закреплены в узлах кристаллической решётки и обеспечивает высокую электропроводность, вторые свободно колеблются - это резко снижает теплопроводность, потому что слабосвязанные 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, учёные и получают необходимое сочетание свойств.

Ключевой параметр термоэлектрических материалов – термоэлектрическая добротность, которая описывает соотношение электропроводность-теплопроводность. Чем выше электропроводность и чем ниже теплопроводность, чем выше термоэлектрическая добротность материала. Одним из самых перспективных таких материалов стал скуттерудит–интерметаллид кобальта и сурьмы – CoSb3. Максимальная добротность возникает в этом материале при разнице температур поверхностей в 400-500 градусов. Для сравнения, у самого известного термоэлектрического материала – теллурида висмута максимум наступает при разнице температур в 100-150 градусов и достигает значения ZT=1,2.

Чтобы добиться высокой добротности в случае системы сурьма-кобальт(ZT=1,4), ученые использовали в качестве металла включения редкоземельных элементов, например, иттербия, или комбинировали сразу два металла. Добротность 1,8 удалось получить, только при внедрении в кристаллическую решетку атомы трех различных металлов.

«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. Благодаря такому подходу мы смогли провести синтез в открытом реакторе всего за две минуты с последующим отжигом получившегося образца в течение 5 часов. Сочетание используемого материала и особенностей процесса синтеза ускорило процесс создания в несколько десятков раз, что также сказывается и на стоимости получения таких материалов. При этом полученные значения термоэлектрической эффективности ZT = 1,5 стали рекордными для скуттерудитов с одним видом «гостевых» атомов»,  – цитируются в сообщении пояснения члена научной группы, сотрудника Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» Андрея Воронина. 

Новый способ отличается от ранее предложенных также относительно низкой стоимостью.