Ученые нашли способ более эффективно получать электричество из тепла

Аватар пользователя Partisan

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.

Авторство: 
Копия чужих материалов
Комментарий автора: 

Ежели грамотные камрады сочтут это хайпом или грантосоством - удалю.

Показалось интересным.

Комментарии

Аватар пользователя Белек-оол
Белек-оол(4 года 2 недели)

Чубайс доехал...smile449.gif

Аватар пользователя Redvook
Redvook(11 лет 1 месяц)

... и они приехали! smile90.gif

Аватар пользователя Regul
Regul(9 лет 2 месяца)

  Колебания в кремние за счет этого угасают и он остывает.

При этом скорость движения электронов остается высокой,

Здравствуйте!

Выглядит как очередной бред. Насчёт Чубайса выше замечено верно судя по всему.

З.Ы, Во первых, противоречит закону Зако́н Видема́на — Фра́нца, где чётко указано о пропорциональности к температуре.

З.Ы. Вот статейка о взаимозависимости. (кратенько)

Аватар пользователя Assert
Assert(8 лет 7 месяцев)

Суперпроводимость как бы то же не совсем пропорциональна, однако существует... в определённых условиях для определённых материалов. 

Аватар пользователя Regul
Regul(9 лет 2 месяца)

Здравствуйте!

Сверхпроводимость, - вообще сущий туман в вопросах трактовки и объяснений.

А так, да. Исключения не могут не быть. :)

Аватар пользователя Assert
Assert(8 лет 7 месяцев)

Это старая типа новость. Метод производства так и не усовершенствовали видимо. Так что осталось экономически не целесообразно. 

Очень много всего интересного делают в лабораториях. Одних только аккумуляторов революционных штук десять обещали за последние несколько лет. Так ни один до производства и не дошёл. То ли характеристики оказались по факту не те, то ли производство слишком дорого и не масштабируемо, но вот ой... 

Аватар пользователя ВладимирХ
ВладимирХ(11 лет 5 месяцев)

Слишком много пафоса. При этом нет банального сравнения с обычными серийно выпускаемыми элементами Пельтье.

Аватар пользователя просто пользователь

16 кР за 150 Вт ?

Аватар пользователя ВладимирХ
ВладимирХ(11 лет 5 месяцев)
Аватар пользователя просто пользователь

У этого совсем другие характеристики

лет так 20+ назад, я что-то подобное покупал, вывод - он нагревается больше, чем охлаждает, а собственно генерация ээ - кот наплакал.

Из-за самонагрева охладить горячую сторону можно только другой, более мощной системой охлаждения. Пассивным способом - никак.

Аватар пользователя Tegucigalpa
Tegucigalpa(4 месяца 3 дня)

"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"

На этом моменте я понял что это бред. К великому сожалению...

Ибо разница температур поддерживается охлаждением...

Вообще крайне удручает прогресс в этой области. Солнечные панели рывок сделали, а тут на месте  стоит все десятилетия.

Аватар пользователя Lokki
Lokki(9 лет 3 месяца)

Кривовато, но вполне правильно.

У ТЭ теплопроводность - родовой косяк, и там действительно нужна теплопроводность как можно ниже, а электропроводность - как можно выше.

А принудительное охлаждение - костыль, который уносит бо́льшую часть энергии.

А далее вот и впёрлись, что чисто таких материалов не бывает. Ну так метаматериалы существуют давно.

Аватар пользователя PIPL
PIPL(10 лет 6 месяцев)

Вот когда технологический прорыв состоится. Тогда и рассказывайте. 

 

Скрытый комментарий Повелитель Ботов (без обсуждения)
Аватар пользователя Повелитель Ботов

Перспективный чат детектед! Сим повелеваю - внести запись в реестр самых обсуждаемых за последние 4 часа.

Комментарий администрации:  
*** Это легальный, годный бот ***
Аватар пользователя Хара-Хото
Хара-Хото(3 года 8 часов)

Колебания решётки (фононы), особенно для ковалентных кристаллов как кремний, вносят заметный вклад в теплопроводность при достаточно больших температурах, но не вблизи комнатных (рассеянное тепло). Поэтому следовало бы указать температуры, при которых проводили эксперименты. То,  что фононные колебания обоих проводников приходят к их границе раздела преимущественно в противофазе - es ist fantastisch!!!!

Аватар пользователя просто пользователь

если просто использовать новую разработку для того, чтобы собирать теряемую впустую тепловую энергию, это ...

потребует много-много достаточно редкого и дорого металла галия, что ставит под вопрос возможность широкого применения данной технологии.

Аватар пользователя абра
абра(6 лет 5 месяцев)

А уважаемые учОные не подозревают, что наностолбики нитрида галлия есть типа антенная решётка на приём работающая?

И дополнительный так сказать эффект это есть принятая так сказать и выпрямленная  (полупроводник GaN на Si однако!) энергия электромагнитных колебаний - от сотовых до спутников и прочих систем связи.

А так - типа верно, энергия ниоткуда - точнее, откуда не ждали!

Напоминает "холодный термояд" четверть века назадsmile7.gif

Аватар пользователя SergL
SergL(8 лет 3 недели)

Коллеги, это тема не новая. Я лет 7-8 назад по просьбе приятеля покопался немного в теме. Там получилось изрядно текста, сейчас отдельным сообщением на Блог выложу.

Аватар пользователя Partisan
Partisan(12 лет 2 месяца)
Аватар пользователя SergL
SergL(8 лет 3 недели)

Готово!