Как получить термоэлектрик в 7 раз быстрее

    Ученые НИТУ «МИСиС» разработали сверхбыстрый способ получения термоэлектрического материала, способного напрямую преобразовывать тепло в электричество. Соединение на основе сложного оксида металлов было получено в 7 раз быстрее, чем во всех ранее представленных мировых экспериментах. Используемый в работе метод открывает перспективы промышленного получения порошков термоэлектрических материалов и создания на их основе устройств, которые, например, могут одновременно заряжать гаджеты и обогревать помещения.

    picture

    Термоэлектрики — особый класс материалов, с помощью которых можно напрямую преобразовывать тепло в электричество, минуя этап превращения тепловой энергии в механическую, как на обычных теплоэлектростанциях. На основе термоэлектрических материалов можно создавать устройства нового поколения энергетики. Например, это может быть рекуператор, позволяющий использовать бросовое тепло выхлопной системы автомобиля для снижения расхода топлива.

    Ключевая проблема — найти оптимальный состав и получить сами термоэлектрики, которые были бы эффективны и при этом устойчивы к высоким температурам порядка 600 — 900 °C, не деградировали и не окислялись в процессе жестких режимов работы.

    Ученые НИТУ «МИСиС» разработали сверхбыстрый способ получения термоэлектрического материала, способного напрямую преобразовывать тепло в электричество. Соединение на основе сложного оксида металлов было получено в 7 раз быстрее, чем во всех ранее представленных мировых экспериментах. Используемый в работе метод открывает перспективы промышленного получения порошков термоэлектрических материалов и создания на их основе устройств, которые, например, могут одновременно заряжать гаджеты и обогревать помещения.

    Коллектив НОЦ энергоэффективности НИТУ «МИСиС» активно исследует термоэлектрические материалы на основе сложных оксидов металлов, в частности, соединения на основе висмута, меди и селена. Он показывает хорошие характеристики эффективности в качестве преобразователя энергии, при этом стабилен к воздействию высоких температур и не подвержен окислению, а значит, способен работать надежно и долго.

    Разумеется, имеется и существенный минус — материал сложно получить, классическим методом, так называемым твердофазным синтезом. Смесь необходимых исходных компонентов запаивают в герметичной кварцевой ампуле и помещают в печь, где компоненты спекаются в течение нескольких дней при температурах 300 — 700 °С до получения готового термоэлектрического материала. Однако, затраченные при такой процедуре ресурсы, делают способ нерентабельным для промышленного применения.

    Ученые НИТУ «МИСиС» в процессе серии экспериментов нашли альтернативу — это механическое сплавление в высокоэнергетической планетарной мельнице —распространенном приборе для тонкого измельчения материалов, аналоги которого есть на современных производствах.

    В ходе опытов в планетарную мельницу загружали порошки исходных веществ — оксида висмута, чистого висмута, меди и селена и применяли интенсивное механическое воздействие без высоких температур. В итоге получился однородный порошок химического состава BiCuSeO, то есть полностью синтезированный материал с нужными характеристиками.
    «В финале целой серии экспериментов нам удалось найти оптимальное сочетание режимов скорости и времени механического сплавления, которое позволило получить порошок BiCuSeO в рекордно короткий срок — порядка 60 минут, при том, что все мировые аналоги подобных экспериментов в лучшем случае позволяли осуществить синтез за 7-13 часов», — рассказывает один из авторов работы, инженер НОЦ энергоэффективности, к.ф.-м.н. Андрей Новицкий.


    picture

    Простота метода и достигнутая скорость получения материала, по словам ученых, позволят масштабировать технологию на современных химических производствах.
    Одним из возможных устройств, которое можно создать на основе полученного термоэлектрического материала, является универсальная компактная печь «3 в 1» для применения на даче, в лесу, в тайге и других местах, где доступ к электричеству и теплу затруднен. Это небольшая печка, которая сможет топиться дровами, обогревать помещение, служить плитой на приготовления пищи и одновременно вырабатывать электричество мощностью порядка 50 Вт — достаточное для зарядки всех персональных гаджетов.
    В настоящее время коллектив ведет работы по адаптации технологии под конкретные производства.

    Работа выполнена при поддержке гранта РНФ и опубликована в международном научном журнале Material Letters.
    НИТУ «МИСиС»
    Номер один в России по материаловедению

    Комментарии 17

    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        0
        и дать остывать другому.
        охлаждать другой.
        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
          +1

          Извиняю. Тепло == инфракрасное излучение == электромагнитное излучение.
          Вполне себе может преобразовываться в электричество фотоэлементами без переходы из Света во Тьму.
          Это к вопросу о "невозможно".
          Хотя касабельно термоэлектриков — таки да, речь о разнице температур, видимо.

            0
            Не может. Там в процессах будут фигурировать другие физические законы и эффекты, но в конечном счете все упрется в ту же формулу термодинамики, где фигурируют две температуры — начальная и конечная (окружающей среды). Эту базовую формулу не обойти, иначе был бы возможен вечный двигатель второго рода.
              0
              Внезапно. Термодинамика запрещает вечный двигатель второго рода лишь на уровне принципиально недоказуемого постулата (увы), а на уровне статистических распределений и ансамблей состояний — она это очевидным образом разрешает, но лишь для специальным образом устроенных систем.

              Возьмем ящик с газом. Могут ли все молекулы газа собраться в одном углу ящика — с тем чтобы потом их там «запереть», дать расшириться, т.е. совершить работу, и тем самым снять энергию и уменьшить энтропию замкнутой системы? С практической точки зрения конечно не могут. С теоретической точки зрения — не только могут, но такое событие обязательно произойдет если достаточно долго обождать (правда, для макроскопического ящика ждать такого события придется сильно больше чем возраст вселенной, в силу дикой малости вероятности такого события — но не нулевой). Т.е. именно с фундаментально-теоретической точки зрения вечный двигатель второго рода гарантированно возможен. Но, увы, если мы хотим за один акт такой мега-флуктуации снять достаточно интересное с практической точки зрения кол-во джоулей, то всё плохо: с линейным увеличением кол-ва частиц в ящике снятая энергия растет линейно, а частота (вероятность) такого события падает ну очень сильно быстрее чем линейно.
              С другой стороны этот факт можно использовать если инвертировать: чем меньшее кол-во части в таком ящике тем линейно уменьшается снимаемая энергия но очень быстро (несоизмеримо быстрее чем линейно) растет частота таких событий. А значит произведение энергии снятой с единичной флуктуации на частоту оных флуктуаций очень быстро растет — в теоретическом пределе доходя до практически интересных значений мощности.
              Иначе говоря, макроскопическая система состоящая из большого кол-ва полносвязно (все со всеми) взаимодействующих агентов, в практическом смысле, вечным двигателем второго рода быть не может. Но система состоящая из огромного кол-ва микроскопических подсистем устроенных специальным образом — определенно может быть вечным двигателем второго рода. Это вопрос скорее инженерии и технологии, а не фундаментальной теории.

              Массив микроантенн под ИК-спектр теплового излучения, вполне возможно, может претендовать на такого рода систему, всё скорее всего зависит от конкретной реализации.
                0
                В общем и целом с написанным согласен. Законы термодинамики несколько отстоят от классических. Но работают они настолько же надежно.
                Массив микроантенн под ИК-спектр теплового излучения, вполне возможно, может претендовать на такого рода систему, всё скорее всего зависит от конкретной реализации.

                Не может :)
                Если попробуете сконструировать это, то упретесь в какой-нибудь эффект. Причем он будет зависит от температуры. Предполагаю, что это произойдет при попытке выпрямить напряжение, снимаемое с антенн. Ну или при попытке использовать это напряжение другим способом.

                Вообще, конструирование вечного двигателя второго рода очень похоже на конструирование вечного двигателя первого рода: куча конструкций, которые прямо вот должны заработать. Но обязательно найдется эффект, который мешает их работе)

                При попытке построить вечный двигатель второго рода происходит ровно то же самое. Если еще не читали, прочтите на эту тему одну из замечательных лекций по физике Ричарда Фейнмана «Храповик и собачка», гуглится легко.
                  0
                  Если попробуете сконструировать это, то упретесь в какой-нибудь эффект.

                  В общем случае это совершенно не факт. Как я, надеюсь, доходчиво описал выше, принципиально, т.е. инженерно-технически, вечный двигатель второго рода возможен именно исходя из законов термодинамики. Но требует очень непростого подхода к его созданию — ухода в массивы микро-систем и работе на флуктуациях оных систем. Нет никакого фундаментального закона из-за которого обязательно возникнет какой-то мешающий эффект, а общее утверждение привитое ещё со школы о принципиальной невозможности такой штуки — очевидно ошибочно (исходя из примера выше). Но решаема ли эта задача в рамках доступных технологий — это да, вопрос открытый.
                    0
                    Тогда задам вопрос. Чем второй закон термодинамики отличается от закона сохранения энергии? Закон сохранения энергии так же ничем не доказан, кроме его экспериментального подтверждения. То же касается и законов термодинамики. Просто сильно сбивает с толку, что он проявляется только на макроуровне.
                    Кстати, а причем тут школа? Закон сохранения энергии тоже «прививают» в школе)))
                      0
                      Отличается тем, что согласно общепринятым теориям, закон сохранения энергии (если не уходить ниже планковского масштаба мелкости) выполняется без каких-либо исключений. В отличие от энергии, энтропия, согласно общепринятым теориям, обязательно локально несохраняется даже на довольно «крупном» масштабе, ибо флуктуации. У энергии подобных макроскопических флуктуаций принципиально нет.
                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                    0
                    О боже! Только читал историю вашего развода людей на деньги якобы для постройки «башни Тесла» (что закончилось тем, что денег собрали, а башню даже на фотках не показали), как оказалось, что вы ещё и вечный двигатель заявляете чем-то реальным!
                      0
                      О боже! Только читал что американцы не были на Луне, да и Луны самой нет а Земля плоская и это всё заговор.

                      А если серьезно, то фоток было море — но реальность внесла свои коррективы, и последние несколько лет мы занимаемся более прагматичной задачей. Погуглите что такое spin-off компании, и потом посмотрите вот это видео. Все цифры на видео достигнуты по факту — хотя большинство инженеров не верит (пока не пощупают с осциллографом, после чего сомнения исчезают). Не надо бояться пробовать решать задачи, которые считаются нерешаемыми. Лучше попробовать и не суметь чем рассуждать о невозможности, лежа на диване. Как хорошо написали Стругацкие, «Мы прекрасно знаем, что она не решаемая! Нас интересует как её решать!»
                        0
                        Да-да, и фоток море, и видео, и публикации в реферируемых журналах — всё было, но случайно всё исчезло, вообще нигде не сохранилось. А сейчас вот новый проект, никто не верит, но он точно работает, только дайте денег.
                          0
                          Ну понятно всё. Удачи в вашей упорной и бескомпромисной борьбе против всего плохого и за всё хорошее. Имеете полное право верить всему что написано на заборе в интернетах — каждый сам выбирает свой личный мир иллюзий и верований. Впрочем, некоторым иной раз удается повзрослеть.
                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                +1
                А с КПД что? Помниться там до 20% (в случае каскадирования).
                С таким КПД способ получения термоэлектрика не выглядит ключевой проблемой…

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое