Вечная батарейка с космической скоростью

Созданный учёными НИТУ "МИСиС" материал пополнит линейку разработок университета для космоса.

Сотрудники Центра энергоэффективности НИТУ "МИСиС" разработали экономичный и быстрый способ изготавливать материал, из которого делаются высокоэффективные термоэлектрические генераторы для космических аппаратов. Такой материал способен напрямую преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Статья с результатами работы вышла в Journal of Materials Chemistry A.

Эффект преобразования тепловой энергии в электрическую обнаружил ещё в 1821 году немецкий физик Томас Зеебек. Однако технологии, позволяющие использовать эффект Зеебека в промышленных масштабах, до сих пор далеки от совершенства – человечество только учится создавать термоэлектрические материалы, и большинство разработок ещё не вышли из стен лаборатории. Тем не менее, термоэлектрические материалы активно используются в энергетике, холодильных установках.

Работающие от тепла радиоактивного распада термоэлектрогенераторы установлены на таких всемирно известных космических аппаратах как Cassini, изучающего окрестности Сатурна, и New Horizon, который обследует Плутон и пояс Койпера. На том же принципе работает электрогенератор марсохода Curiosity. Есть и более приземленные примеры: например, получение электроэнергии от тепла, передаваемого через элементы выхлопной системы автомобиля. Также ведутся разработки теплоэлектрогенераторов, способных повысить эффективность различных видов электростанций.

Полученные в НИТУ «МИСиС» термоэлектрические материалы сочетают в себе два «вида» атомов: жестко закрепленные в узлах кристаллической решётки, что обеспечивает высокую электропроводность, и свободно колеблющиеся, что резко снижает теплопроводность, потому что слабо связанные с кристаллическим каркасом атомы эффективно рассеивают тепло. Такого сочетания удалось добиться за счет создания интерметаллидов, кристаллическая структура которых содержит пустоты. Заполняя их «гостевыми» атомами без нарушения кристаллической решетки, учёные и получают необходимое сочетание свойств. Чем выше электропроводность получаемого вещества и чем ниже теплопроводность, тем выше ключевой параметр термоэлектрических материалов – термоэлектрическая добротность.

Одним из самых перспективных таких материалов стал скуттерудит – интерметаллид кобальта и сурьмы – CoSb3. Максимальная добротность возникает в этом материале при разнице температур поверхностей в 400-500 градусов. Для сравнения, у самого известного термоэлектрического материала – теллурида висмута максимум наступает при разнице температур в 100-150 градусов и достигает значения ZT=1,2.

Чтобы добиться высокой добротности  в случае системы сурьма-кобальт (ZT=1,4), приходится использовать в качестве металла включения редкоземельные элементы, например, иттербий, или комбинировать сразу два дорогих металла. А добротность 1,8 удалось получить, только внедряя в кристаллическую решетку атомы трех различных металлов.

«Нам удалось решить проблему за счет использования индия в качестве заполнителя и подбора исходного соотношения металлов, которое позволило синтезировать нужный термоэлектрический состав в открытом реакторе, – рассказывает член научной группы, сотрудник Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» Андрей Воронин.

– Благодаря такому подходу мы смогли провести синтез в открытом реакторе всего за две минуты с последующим отжигом получившегося образца в течение 5 часов. Сочетание используемого материала и особенностей процесса синтеза ускорило процесс создания в несколько десятков раз, что также сказывается и на стоимости получения таких материалов. При этом полученные значения термоэлектрической эффективности ZT = 1,5 стали рекордными для скуттерудитов с одним видом «гостевых» атомов».

Как говорят авторы новой работы, предложенные ранее схемы получения термоэлектрических материалов, были дорогими не только из-за используемых металлов. Они включали в себя двухнедельный синтез реакционной смеси в вакуумированных ампулах. Получить такой материал другими способами очень сложно  из-за того, что сурьма – легколетучий металл. А при длительной плавке испарение сурьмы может привести к образованию нежелательного побочного продукта – фазы CoSb2, которая обладает совершенно бесполезными с точки зрения термоэлектричества характеристиками. опубликовано econet.ru 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet