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.


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.


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.


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».


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.