![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/fec/240/736/fec24073660c97b161f190e3a0e22567.jpg)
Руководитель Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС», д.ф.-м.н., профессор Владимир Васильевич Ховайло.
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.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/904/faf/dbe/904fafdbe37194319ac8e689cc77ba14.jpg)
Микрофотография кристаллов CoSb3 с включениями индия (масштаб – 10 микрометров)
Созданный учеными НИТУ «МИСиС» материал пополнит линейку разработок университета для космоса.
«Мы активно сотрудничаем с представителями авиационной и космической индустрии, — отметила ректор НИТУ „МИСиС“ Алевтина Черникова. — На данный момент ученые нашего университета ведут около тридцати научно-исследовательских проектов по заказу авиакосмической отрасли. В том числе с Объединенной авиастроительной корпорацией, которая заинтересована во внедрении ряда разработок университета для решения стратегических задач корпорации».
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.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/a77/429/87c/a7742987c88d1672224d80894ef83b01.jpg)
Микрофотография кристаллов CoSb3 с включениями индия (масштаб – 5 микрометров)
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».
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/6ee/3c1/a9f/6ee3c1a9fadb8d23f0b6a91e8421ab2d.jpg)
Сотрудник Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» Андрей Воронин на фоне установки электроискрового спекания
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.
Комментарии (11)
kitmel
15.06.2017 16:28человечество только учится создавать термоэлектрические материалы, и большинство разработок ещё не вышли из стен лаборатории
термоэлектрические материалы и устройства человечество не учится, а умеет создавать уже очень давно, загуглите хотя бы ТГК-3
масштаб – 10 нанометров в сантиметре
а на шкале микрометры. Как понимать то?Helium4
16.06.2017 10:52Все жду новости: "Сотрудники Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» разработали экономичный и быстрый способ изготавливать материал, из которого делаются высокоэффективные термоэлектрические генераторы для
космических аппаратов.домашнего использования". Так чтоб в дымоход котла можно было нормально встраивать. А Германа все нет :)SvSh123
16.06.2017 14:01Вот он, ваш Герман ))
Там еще низкотемпературные есть (Тгор<200°С).
Эффективные уже сейчас есть, а описанный способ позволит их удешевить.Helium4
16.06.2017 14:23Спасибо, тоже нашел Криотерм. Правда, не совсем понял чем отличаются модули, там их много разных и, самое главное, цена за модули не коррелирует с мощностью. Еще бы и цена была чуть дешевле, 10Вт модуль за отопительный сезон выработает 30кВт — при цене 1500руб за модуль, окупаться он будет долго. Будем надеяться на снижение цен.
SvSh123
16.06.2017 15:05Низковольтные вроде дешевле. Ну и от рабочей температуры горячего спая зависит.
Дороговато, да. Но там, где электросети нет — вполне годное решение, не говоря уж о походных условиях.
Garbus
15.06.2017 19:47Думаю скорее как ошибку в подписи. На второй картинке кристаллы явно мельче, при том что 5 микрометров на делении шкалы.
Но в любом случае — странно указывать сколько там в сантиметре картинки. Ведь разрешение экрана и масштаб браузера могут быть совершенно произвольными.
P.S. Чуть чуть промахнулся, хотел ответить kitmel.
mrigi
15.06.2017 22:20Добротность 1.5 — это КПД порядка 33%? Я правильно понял?
Есть шансы, что рядовые жители смогут пользовать ваши прокачанные элементы Пельтье?
killik
16.06.2017 04:05Добротность 1.5 — это КПД порядка 33%?
https://cyberleninka.ru/article/n/termoelektricheskaya-effektivnost-nizkotemperaturnyh-generatornyh-materialov-vozmozhnosti-ee-povysheniya
«Если удастся создать термоэлементы из ветвей обоих типов проводимости, имеющих ZТ = 1,4 при температурах 400–500 К, то следует ожидать повышения КПД простых в изготовлении односекционных ТЭГ до 9 %»
rPman
16.06.2017 15:47А наоборот, когда разница температура очень мала, и составляет еденицы-десятки градусов (суточные колебания температур или разница — вода-воздух) есть какие-нибудь подвижки?
А то очень соблазнительно сделать плавучий генератор, покрашенный сверху в черный цвет для поглощения тепла и погруженными на некоторую глубину радиаторами. Энергии, запасенной в разнице температур у небольшого озера и воздуха над ним просто 'вагон и маленькая тележка'.SvSh123
16.06.2017 16:10Увы, со времен «Тайны двух океанов» мало что изменилось. ТЭГ с такой эффективностью, как описанные в книге — до сих пор фантастика.
trojan218
браво! )