Кузнецов Юрий Михайлович, ассистент кафедры физики полупроводников, электроники и наноэлектроники физического факультета ННГУ, м.н.с. лаборатории спиновой и оптической электроники НИФТИ ННГУ
Экологические проблемы, с которыми столкнулось человечество за последние 100 лет развития технологий, неизбежно подталкивают к необходимости разработки и усовершенствования альтернативных источников энергии, многие из которых «на слуху»: солнечная энергетика, водородное топливо, ветряные станции и многое-многое другое.
Перечислять здесь нет смысла, все вы о них более-менее знаете, представляете, хотя бы примерно, как это выглядит и, возможно, даже работает. Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки. Каждая технология развита на сегодня до определённого уровня и, главное, продолжает развиваться до сих пор. Однако существует ещё один способ получения энергии, менее известный, но не менее востребованный, чем выше названные: речь идёт о термоэлектриках.
Ещё в школе на уроках физики нас учат фундаментальному закону, согласно которому энергия «не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда, а лишь преобразуется из одной формы в другую». Исходя из этого, можно сделать предположение о возможности преобразования энергии тепла, которого так много вокруг, в энергию электрическую, которой так нам всем порой не хватает, особенно если в неподходящий момент села батарейка вашего смартфона, согласитесь, всегда не вовремя и некстати. И как же преобразовать тепло в электричество? Вот тут и приходят на помощь термоэлектрики – это материалы, преобразующие тепловую энергию в электрическую при создании на противоположных гранях этого материала разности (или, по-научному, градиента) температур.
Впервые термоэлектрический эффект был открыт 1821 году Томасом Зеебеком (сейчас этот эффект носит его имя), действительно, так и называется, эффект Зеебека. В своих экспериментах он использовал две металлические пластинки из сурьмы и меди, соединённые друг с другом с обоих концов. Одно место спая он подогревал спиртовкой, в то время как другой спай находился при комнатной температуре. Между этими пластинками была закреплена магнитная стрелка, которая в результате этих действий начала отклоняться, следовательно, на неё подействовало возникшее магнитное поле. Томас Зеебек назвал этот эффект термомагнитным, хотя магнетизм в современном понимании этого слова тут ни при чем. Магнитное поле, отклоняющее стрелку, возникло за счёт протекания электрического тока через соединённые пластинки разнородных материалов. Когда спиртовку убрали, ток прекратился. Иными словами, под воздействием градиента температур потёк электрический ток. Что это, если не прямое преобразование тепла в электричество?!
Практическое применение эффекта Зеебека лежит на поверхности – преобразование тепловой энергии в электрическую с целью автономного питания каких-либо устройств. Спектр применения ограничен буквально лишь фантазией. Только представьте, умные фитнес-браслеты или часы, которые заряжаются за счёт тепла человеческого тела. Кроме того, существуют агрессивные условия, при которых выработка электрической энергии «классическими» методами затруднена. В первую очередь речь идёт о космосе и Арктике.
Теперь задумаемся, если всё так здорово, почему этих устройств нет сейчас в данное время вокруг нас? А точно ли нет? На самом деле, в космической отрасли термоэлектрики применяются уже давно, причём как в нашей стране, так и за рубежом. Но почему же нет часов, зарядка которых осуществляется от тепла руки? Всё дело в низком КПД преобразования. Современные термоэлектрические материалы обладают довольно низким коэффициентом полезного действия, по крайней мере не достаточным, чтобы в миниатюризированном виде осуществлять питание даже маломощных электронных устройств.
Во времена, когда практическая польза полупроводников была ещё не понятна, учёные вели поиски высокоэффективных термоэлектрических материалов среди металлов. Было установлено, что величина эффекта зависит от двух главных факторов: вида материалов и температурного интервала, в котором этот спай исследуется. Были подобраны пары таких металлов, величина термоэлектрического эффекта в которых существенна (хромель-алюмель, платина-платина-родий и т.д.). Так были созданы термопары – устройства, позволяющие производить измерения температуры контактным способом, а точнее, разности температур между «холодным» и «горячим» спаями. «Горячий спай» имеет непосредственный контакт с телом, температуру которого хотим измерить, а «холодный» имеет температуру окружающей среды. По специальным калибровочным таблицам можно сопоставить сигнал термоэлектрического эффекта (в милливольтах) с величиной градиента температур (в градусах Кельвина или Цельсия). Термопары активно используются до сих пор и являются одним из самых точных способов измерения температуры.
В России развитие термоэлектричества неразрывно связанно с А.Ф. Иоффе, который одним из первых вывел термоэлектрическую эффективность (коэффициент ZT) – это аналог КПД в области термоэлектрического преобразования. Согласно этой теории, ZT определяется не только величиной самого термоэлектрического эффекта (коэффициента Зеебека), но и удельным сопротивлением и коэффициентом теплопроводности. А.Ф. Иоффе показал, что наилучшее согласование этих параметров достигается в области полупроводников. Именно поиск высокоэффективных термоэлектрических материалов в области полупроводников стал основным направлением развития термоэлектричества в XX веке.
Результат этих исследований – создание термоэлектрических генераторов на таких полупроводниковых материалах, как теллурид висмута, теллурид свинца, твёрдый раствор германий-кремний, высший силицид марганца и других. Эти, как правило, громоздкие генераторы активно используются в специфических условиях для питания электронных устройств.
Как сейчас развиваются термоэлектрики? По сути, можно выделить два основных взаимосвязанных направления развития: поиск и синтез принципиально новых материалов с уникальными термоэлектрическими характеристиками, а также создание и развитие технологий синтеза этих материалов. Тенденции последних лет направлены на развитие синтеза полупроводниковых материалов из порошков, кстати, отметим, что подобные технологии давно и успешно применяются в металлургии. Наибольший фундаментальный интерес представляет развитие тонкоплёночных термоэлектриков, в которых реализуются такие квантовые системы, как «квантовые ямы», «квантовые нити» и «квантовые точки». Согласно теоретическим представлениям, этот «загадочный квантовый мир» открывает широкие возможности к повышению коэффициента полезного действия термоэлектрического преобразования.
В заключение хочется сказать, что, несмотря на долгую историю развития технологии термоэлектриков, их потенциал ещё далеко не исчерпан. Да, сегодня, отвечая на вопрос прямо и честно, мы не можем зарядить сотовый телефон от тепла человеческого тела, но уже можем «зажечь» слабенький светодиод. А решение любой сложной задачи, как известно, начинается с маленького первого шага, и что-то подсказывает, что именно этот первый шаг сделан на пути новых открытий в развитии технологий термоэлектриков!
#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки