В настоящее время генерация электрической энергии связана с выделением в атмосферу большого количества тепла. Его очень желательно использовать в полезных целях, однако современные подобные технологии крайне малоэффективные, их КПД составляет не более 5-10 %. Американские исследователи разработали специальный материал, с помощью которого можно будет существенно повысить эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую.
Эффект основан на создании разности потенциалов на сторонах двух последовательно соединённых разных проводников, когда температура одного из них выше, чем другого. Он был открыт в 19-м веке учёным Томом Зеебеком и назван его именем. Чтобы эффективно преобразовывать тепло в электроэнергию, необходима высокая электропроводность и низкая теплопроводность материала. В этом случае один конец будет значительно теплее другого, что обеспечит высокий КПД. Проблема в том, что в природе подобных материалов нет. Хорошие проводники электричества так же хорошо проводят и тепло, и наоборот.
Разработчики из института NIST (США) создали искусственный материал, хорошо проводящий ток и плохо проводящий тепло. Тепловая энергия в телах с жёсткой кристаллической решёткой передаётся фононами. Это квазичастицы, которые при этом подчиняются законам молекулярно-волновой физики, представляя собой в одно и то же время волны и частицы. Созданный материал использует волновые характеристики фононов для влияния на скорость их распространения.
Как это работает
По своей структуре разработанный материал — листовой кремний, на котором выводятся мельчайшие кристаллы нитрида галлия. После этого подложка из кремния утончается до нужной толщины. Происходит следующий процесс. При передаче тепловой энергии от одного края листа до противоположного оно одновременно передаётся через нанокристаллы. В них появляются стоячие волны с периодами, величина которых зависит от их формы (эта форма — узкий столбик). Эти волны значительно короче волны фононов, распространяющихся в кремниевой подложке. В итоге волны в кристаллах вступают в резонанс с волнами фононов, и эти фононы изменяют длину волны.
По итогам соответствующего эксперимента разработчики сумели снизить теплопроводность материала на 21% без снижения электропроводности. Они полагают, что в ближайшее время смогут презентовать своё техническое решение по преобразованию тепловой энергии в электрическую. Это позволит создавать принципиально новые приборы и улучшать характеристики радиаторов для электроники.
