Зарядить мобильник от костра

Ученые выяснили, как из тепла получается электричество в наномасштабе

Иллюстрация: Connor Shelly, Ekaterina Matrozova, Victor Petrashov

Возможность превращать тепло в электричество очень заманчива. Мы обогреваем космос самыми разными способами, и все это огромное количество тепла рассеивается в атмосфере. Однако есть шанс, что ученым удастся превратить бездарно растрачиваемое тепло в электричество, используя термоэлектрические явления.

Термоэлектрические эффекты были открыты в XIX веке. Первый из них обнаружил в 1821 году Томас Зеебек. Он заметил, что если нагреть проволочное кольцо, спаянное из двух разных металлов, а рядом положить компас, его стрелка отклонится. Потом ученые выяснили, что нагрев проводников заставляет электроны двигаться от холодной части к теплой, отчего возникает электрический ток.

Через три десятка лет французский ученый Жан Пельтье опустил концы двух проводников в воду, пропустил ток и увидел, что вода замерзла. Так он обнаружил обратный эффект: место соединения может нагреваться или охлаждаться в зависимости от того, в каком направлении через проводники проходит электрический ток.

Наконец, Уильям Томсон, он же лорд Кельвин, открыл третий термоэлектрический эффект: если взять вместо двух проводников один, концы которого будут нагреты до разных температур, то при протекании тока проводник будет нагреваться или охлаждаться в зависимости от направления тока.

Холодильники, партизаны и космос

На практике термоэлектричество используют двумя основными способами. Термоэлектрическое охлаждение «работает» в переносных холодильниках, применяется для охлаждения элементов в микроэлектронике, приборах для проведения микробиологических исследований.

Возможность превращать тепло в электрический ток впервые была реализована в так называемом «партизанском котелке», разработанном в Физико-техническом институте имени Иоффе во время Второй мировой войны. «Котелок» предназначался для питания партизанских радиостанций и работал от костра. Идея «партизанского котелка» используется и сегодня в аналогичных устройствах для туристов, что позволяет, например, подзарядить в походе мобильный телефон от костра. Кроме того, сейчас термоэлектричество используется в различных областях для снабжения электричеством сенсоров, датчиков и другой не очень «прожорливой» электроники.

Но эффективность термоэлектрических элементов невелика, поэтому на протяжении XX века они использовались только в узких областях, в том числе в космической технике, где они оказались очень востребованы. Маломощные, зато простые и надежные генераторы позволили впервые отправить космические аппараты далеко от Солнца, туда, где солнечные батареи бесполезны. Источником тепла служил запас плутония или другого радиоактивного вещества, и при помощи термоэлектрических эффектов выделяемое при их распаде тепло преобразуется в электричество.

Именно термоэлектрические генераторы работают на аппаратах «Вояджер» 1 и 2. «Вояджеры» были запущены в 1977 году для исследования границ Солнечной системы и межзвездной среды. Они работают до сих пор, и, по расчетам специалистов, состояния «недостаточно энергии для питания хотя бы одного научного прибора» достигнут лишь в 2025 году.

Термоэлектричество в наномасштабах

В конце XX — начале XXI века основным направлением исследований в области термоэлектричества стало изучение этого явления на наномасштабах. Ключевым моментом здесь является исследование термоэлектричества в сверхпроводниках — материалах, которые при температурах ниже так называемой «критической» начинают пропускать ток без сопротивления и, соответственно, без потерь.

«Если концы обычного, не сверхпроводящего, материала находятся при разных температурах, то между ними возникает и разность электрических потенциалов. Если замкнуть концы другим проводником, то в такой петле потечет электрический ток. В сверхпроводниках разности потенциалов быть не может, так как отсутствует электрическое сопротивление. Однако термоэлектрический ток в петле из разных сверхпроводников возникнуть может. Он создает магнитное поле, которое можно измерить», — рассказал Виктор Петрашов, руководитель группы нанофизики и нанотехнологии в департаменте физики колледжа Ройял-Холлоуэй в Лондонском университете.

Теоретически такая возможность была предсказана еще в 1970-х годах. Однако, когда магнитное поле удалось измерить на практике, возникла проблема: в эксперименте оно оказалось в сотни тысяч раз больше, чем предсказывала теория. Более того, разные эксперименты давали разные значения термоэлектрического магнитного поля.

«Возникло тупиковое положение, так как не было надежных экспериментальных данных, необходимых для построения и проверки теории», — пояснил ученый.

Петрашов и его коллеги, в частности Екатерина Матрозова из Нижегородского государственного технического университета, нашли метод устранения паразитных эффектов, маскирующих термоэлектрические явления в эксперименте. Он основан на применении микроскопических сверхпроводящих колец и особо чувствительных магнитометров, изготовленных нанотехнологическими методами.

«Экспериментальная часть нашей работы разрешила парадокс, указала выход из тупика и позволила нам создать новую теорию, хорошо согласующуюся с экспериментом. Мы вывели новые формулы, закрывающие существенный пробел в теории термоэлектрических магнитных эффектов в сверхпроводниках», — заключил Петрашов.

Изучение термоэлектричества в наномасштабе в перспективе позволит разрабатывать альтернативные способы получения энергии, что особенно актуально, учитывая нынешнюю нестабильную ситуацию с ценами на традиционные энергоресурсы вроде нефти.

Результаты работы Петрашова и его коллег опубликованы в журнале Science Advances.
Теги:

Читать еще на Чердаке: