Из-за высокой температуры устройства со временем выходят из строя.
Устройства, известные как поперечные термоэлектрики, позволяют избежать этой проблемы, создавая ток, идущий перпендикулярно проводящему устройству, требуя контактов только на холодном конце генератора. Несмотря на то, что они считаются многообещающей технологией, материалы, которые, как известно, создают такое поперечное напряжение, практически неэффективны – по крайней мере, так думали ученые.
Исследователи из Университета штата Огайо показывают в новом исследовании, что единый материал, слоистый кристалл, состоящий из элементов рения и кремния, оказывается золотым стандартом для поперечных термоэлектрических устройств.
Ученые продемонстрировали, что это единственное соединение функционирует как высокоэффективный термоэлектрический генератор из-за редкого свойства: одновременно несут как положительные, так и отрицательные заряды, которые могут двигаться независимо, а не идти параллельно друг другу, что вынуждает их двигаться зигзагообразно к поверхности земли. контакты для генерации электрического тока.
Построив термоэлектрический генератор с кристаллом длиной около двух дюймов, исследователи также определили, что, когда кристалл расположен в устройстве под определенным углом, он может производить впечатляющее количество энергии.
«Мы показали, что эти материалы столь же эффективны, как и традиционные технологии термоэлектрических генераторов, но преодолевают их основные недостатки», – сказал соавтор исследования Джошуа Голдбергер, профессор химии и биохимии в штате Огайо.
"Это первый раз, когда было доказано, что такое устройство возможно. Обладая эффективностью, которая на порядки выше, чем у любого предыдущего поперечного устройства, это соединение так же хорошо, как и то, что вы можете купить в коммерческих целях, но обещает быть намного проще и надежнее."
Исследование опубликовано в Интернете в журнале Energy & Environmental Science.
Хотя 97% энергии вырабатывается за счет тепла, мы выбрасываем большую часть тепла, позволяя ему улетучиваться из дымовых труб, выхлопных труб автомобилей и т. П.
"Отработанное тепло действительно важно.
Во веки веков шло стремление повысить эффективность всех двигателей, которые вырабатывают энергию из тепла – объем работы, который вы можете получить от них, который вы можете использовать ", – сказал соавтор исследования Джозеф Хереманс, профессор механики и аэрокосмическая инженерия и выдающийся ученый в области нанотехнологий в штате Огайо.
«В течение долгого времени мы мечтали найти маленькие двигатели, у которых не было бы движущихся частей, которые могли бы отводить тепло и производить электричество."
И теперь у них есть.
Большинство материалов проводят заряд только одного типа, что приводит к тому, что большинство термоэлектрических устройств состоит из нескольких соединений, однако сложность установления контактов с ними затрудняет попытки создать эффективный и эффективный термоэлектрический генератор, который легко построить и выдержит высокие температуры.
Два года назад эта исследовательская группа обнаружила неожиданные свойства в другом соединении, которое позволяло электронам и дыркам, источникам отрицательных и положительных зарядов, соответственно, генерирующих электрический ток, перемещаться по тому, что могло напоминать шоссе с севера на юг. заряд и шоссе восток-запад для другого.
После этого открытия исследователи просмотрели существующие исследования других кристаллов, которые, как было установлено другими учеными, делают то же самое.
"Мы заинтересовались этим, потому что сначала не понимали, что это может существовать. Когда мы выяснили, что он может существовать, мы очень старались найти эти материалы », – сказал Голдбергер.
На сегодняшний день они экспериментально подтвердили 15 материалов с этими свойствами – из более чем 110000 кристаллических структур, обнаруженных и каталогизированных в международной базе данных.
"Некоторые из них были обнаружены, но ни один из них не использовался для функциональности. Мы обнаружили, что мы действительно можем что-то с этим сделать », – сказал Вольфганг Виндл, профессор материаловедения и инженерии в штате Огайо и соавтор исследования.
"Все, что нам нужно сделать, это подвести провода к одному концу и сориентировать кристалл определенным образом, и внезапно у нас есть генератор энергии без движущихся частей. И вы согреваете его с помощью любого отходящего тепла, которое у вас есть в вашем доме, машине или ракете, и это будет генерировать электроэнергию без выбросов самостоятельно и, по сути, бесконечно. Для меня это немного похоже на черную магию."
Теоретически генератор, сделанный из этого соединения, можно было бы использовать в любом месте, где генерируется тепло – размер кристалла может варьироваться, и в этом исследовании он был продиктован размером печи, в которой он выращивался.
Хереманс сказал, что генератор может производить достаточно электроэнергии из выхлопных газов автомобиля, чтобы двигать автомобиль вперед, но он поддерживает идею использования этой технологии в меньшем масштабе: «В приложениях меньшего масштаба сложные решения не приветствуются, потому что они слишком дороги. ," он сказал. "Вот где такое простое решение, вероятно, лучше всего."