Ученые нашли способ более эффективно получать электричество из тепла

Итак, на планете Земля намечается технологический прорыв: разработано новое термоэлектрическое устройство с использованием наностолбиков нитрида галлия на кремниевой подложке, которое значительно повышает эффективность преобразования тепла в электричество. Сделала его команда ученых из американского Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере.

Даже если просто использовать новую разработку для того, чтобы собирать теряемую впустую тепловую энергию, это позволит сэкономить около 100 миллиардов долларов в год в одних только США. А в мировом масштабе — сотни миллиардов.

Эффект Хусейна

Необычное поведение кремния в термоэлектрической паре с нитридом галлия первым заметил теоретик Махмуд Хусейн из Университета Колорадо. Он обратился в отдел прикладной физики NIST, которым руководит исследовательница Крис Бертнесс. Объединенная группа изучила удивительный эффект и смогла понять принцип, благодаря которому он проявляется.

Разработанная в итоге технология состоит в нанесении сотен тысяч микроскопических столбцов нитрида галлия на кремниевую пластину. Взаимодействие между столбиками и подложкой замедляет передачу тепла в кремнии, позволяя сохранять разность температур и получать больше электрического тока. Выглядит непонятно? Объясняем.

Как это работает

Новая разработка основана на явлении, открытом немецким физиком Томасом Зеебеком в 1822 году. Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутом контуре, собранном из двух различных материалов — в его первом опыте это были висмут и сурьма — на контакте материалов при разности температур возникает и разность потенциалов.

Теоретически это предоставляет идеальную возможность преобразования тепловой энергию в электрическую. Но, увы, есть нюанс.

Чтобы получить за счет эффекта Зеебека большое количество энергии, хотя бы один из пары материалов должен плохо проводить тепло. Иначе не будет поддерживаться разница температур. При этом материал должен еще и хорошо проводить электричество.

Однако для большинства веществ теплопроводность и электропроводность идут рука об руку; плохой проводник тепла становится плохим проводником электричества, и наоборот. В итоге термоэлектрические элементы на полупроводниках до сих пор в лучшем случае имели КПД в 1.5−2%.

Когда фононы в противофазе

Что сделали в NIST: вырастив наностолбики нитрида галлия над кремниевой мембраной, ученые снизили теплопроводность кремния на 21% без снижения электропроводности. Как?

В твердых телах тепловая энергия переносится фононами — периодическими колебаниями атомов в кристаллической решетке. Так вот, фононы в кремниевой мембране частично оказываются в противофазе с фононами в наностолбиках нитрида галлия. Колебания в кремние за счет этого угасают и он остывает.

При этом скорость движения электронов остается высокой, так что перед нами — превосходный термоэлектрический элемент.

Отдельно отметим, что это не просто новая технология, это открытие мирового масштаба — ни для одного материала до сих пор не наблюдалось подобного снижения теплопроводности без ухудшения способности проводить электричество.

Как только метод изготовления будет усовершенствован, такие термоэлементы можно будет использовать как минимум для преобразования тепловых выбросов в электричество — в том числе и на электростанциях. С другой стороны, технология должна оказаться полезной и для охлаждения — например, компьютеров.

Любопытно, что в принципе комбинация «нитрид галлия — кремний» в электронике уже применяется. Хотя и сравнительно недавно. Из этих материалов делают транзисторы, в том числе для передающих станций мобильной связи. В том числе и в России. А вот концепция получения электричества из связки этих материалов — идея новая и перспективная.