Физики из Университета Аризоны обнаружили новый способ превращения тепла в электрическую энергию. Это может совершить революцию в энергетике, причем без значительной переделки инфраструктуры.

Что общего у двигателя внутреннего сгорания, электростанции, фабрики и солнечных панелей? Все они выделяют тепло, причем почти все это тепло тратится впустую.

Американские ученые создали компьютерную модель молекулярного термоэлектрического материала, открывающего большие перспективы для создания высокоэффективных тепловых машин, которые будут перерабатывать почти все тепловые выбросы в электричество. Кроме того, это сделает ненужным озоноразрушающие хлорфторуглероды.

Термоэлектричество позволяет преобразовать тепло непосредственно в электрическую энергию с помощью устройства без движущихся частей, – поясняет один из авторов открытия докторант Джастин Бергфилд (Justin Bergfield). – Наши коллеги уверены, что наш моделируемый термоэлектрический материал может быть построен. Мы ожидаем, что генерируемое напряжение будет в 100 раз выше, чем у самых совершенных существующих лабораторных образцов".

Рис. 1. «Лес» из молекул превращает тепло в электричество. Физики обнаружили, что благодаря квантовым эффектам потоки электронов взаимодействуют друг с другом, что приводит к появлению напряжения между горячим и холодным электродами (структуры золотистого цвета вверху и внизу).

Вопрос потери энергии в виде тепла волнует ученых очень давно, но до сих пор эта проблема не имеет приемлемого решения. Множество устройств выделяют тепло, которое бесполезно рассеивается в воздухе, да еще и создает проблему перегрева различной аппаратуры.

В отличие от существующих тепловых преобразующих устройств, таких как холодильники и паровые турбины, материал Бергфилда не требует механики и озоноразрушающих химических веществ для охлаждения. Это просто похожий на резину полимер между двумя металлическими электродами. Узлы автомобиля или заводская труба, покрытые этим материалом толщиной менее 254 нм, начнут вырабатывать электроэнергию из «дармового» тепла. Для более наглядного представления о пользе этого крайне эффективного термоэлектрического материала, достаточно узнать, что, используя тепло от двигателя автомобиля, можно будет получить мощность 20 кВт! Это повысит КПД автомобиля более чем на 25% и станет настоящим «подарком» для машин с гибридным приводом.

Ученые сделали свое открытие, когда исследовали поливиниловые эфиры – молекулы, которые спонтанно соединяются в полимеры. Основой каждой молекулы поливинилового эфира является цепь бензольных колец, содержащих атомы углерода. Цепь выступает в роли «молекулярного провода», по которому могут перемещаться электроны. Используя компьютерное моделирование, ученые вырастили «лес» молекул между двумя электродами и подвергли его нагреву. В результате, по мере увеличения числа бензольных колец в каждой молекуле, выработка электрической энергии увеличивалась.

Секрет способности молекул перерабатывать тепло в электричество заключается в конструкции молекул. Как вода, огибающая опору моста, поток электронов, идущий вдоль молекулы, разделяется при столкновении с бензольным кольцом. Если изменить одну из цепей бензольного кольца таким образом, чтобы один поток электронов двигался дольше, то оба потока электрона при соединении будут в разных фазах. В момент уравновешивания они будут находиться в процессе квантовой интерференции. Когда в схеме присутствует разница температур, это прерывание потока электрического заряда приведет к накоплению электрического потенциала, т.е. напряжению между двумя электродами. В первую очередь новый материал использует волновую природу электрона для превращения его в полезную энергию.

По своей конструкции материал полностью самодостаточен: он не требует обслуживания, прост и дешев в изготовлении. «Просто возьмите пару металлических электродов и "покрасьте» их одним слоем молекул! – Говорит Джастин Бергфилд. – В результате мы получим термоэлектрическое устройство, которому не нужны охлаждающие агенты, такие как жидкий азот, фреон или любые другие".

Еще одно уникальное свойство материала – масштабируемость. Термоэлектрический генератор может быть любого размера – от гигантского на панели солнечной батареи, до миниатюрного в сенсоре микроскопического размера.

Сфера применения нового материала огромна: везде, где нужно что-то охладить или есть избыточное тепло, и в любой среде – от космоса до глубин океанов. Большая выдаваемая мощность позволит сэкономить значительное количество топлива и существенно повысить КПД машин. Остается только ждать запуска технологии в массовое производство.

По материалам: