Международная группа учёных определила способы получения электроэнергии от тепла человеческого тела с использованием экологически чистых материалов. Идеальным материалом для создания мембраны, с помощью которой можно получать энергию от низкотемпературных термоэлектрических процессов, оказался лигнин, добываемый из отходов древесины. Это материал растительного происхождения, возобновляемый, экологически чистый и широкодоступный.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Человеческое тело в среднем за час вырабатывает 60–80 Вт тепловой энергии — вполне достаточно, чтобы запитать ноутбук. Проблема в том, как собрать это тепло и преобразовать его в электричество, а также накопить. КПД термоэлектрических преобразователей обычно составляет единицы процентов и даже ниже, если речь идёт о температурах ниже 200 °C. Но именно от источников такого «мусорного» тепла больше всего потерь в атмосферу — свыше 66 %. Его теряют тёплые механизмы, теплотрассы, строения и многое другое, включая нас самих. А ведь преобразование тепла тела в электричество могло бы надолго, если не навсегда, обеспечить работу носимой электроники.

Учёные из Университета Лимерика (Ирландия) в сотрудничестве с Университетом Валенсии (Испания) смогли создать мембрану из лигнина, способную создавать разность потенциалов на обеих её сторонах. Для этого мембрану пропитывали солевым раствором, в котором под действием тепла на одной стороне возникало движение положительных ионов на противоположную сторону. Оставалось лишь аккумулировать этот ток и использовать по назначению. Учёные и здесь не ударили в грязь лицом и создали экологически чистый накопитель ионов.

Исследователи изготовили из древесных отходов пористый углеродный материал, способный накапливать ионы после их прохождения сквозь мембрану из лигнина. Аккумулятор также оказался экологически чистым, как и термоэлектрический элемент. Точнее, исследователи создали углеродный суперконденсатор из отходов древесины, доказав, что тепло можно преобразовывать в электричество и накапливать без использования токсичных веществ, таких как свинец, сурьма и другие.

Стартап Phononic представил на конференции Hot Chips 2024 необычный процессорный кулер Hex 2.0. Несмотря на схожесть с обычным воздушным кулером, Hex 2.0 — это термоэлектрическая система охлаждения. В её основе используется элемент Пельтье. Кулер может работать как в пассивном, так и в активном режимах — когда требуется дополнительное охлаждение включается вентилятор.

Источник изображений: Phononic

Новинка выглядит как двухсекционный башенный кулер с 92-мм вентилятором посередине. Hex 2.0 представляет собой относительно компактный кулер — его размеры составляют 125 x 112 x 95 мм, а вес — 810 грамм. Несмотря на это, по эффективности данная система охлаждения может посоперничать с СЖО с радиатором типоразмера 240 мм, не говоря уже об обычных воздушных кулерах. Phononic в подтверждении своих слов привела результаты внутренних тестов Hex 2.0 по охлаждению процессора AMD Ryzen 9950X.

Поскольку это термоэлектрическая система охлаждения, то для её эффективной работы требуется дополнительное питание. В данном случае для охлаждения 170-Вт AMD Ryzen 9950X (230 Вт в режиме Turbo) кулер Hex 2.0 потребляет около 35 Вт энергии. Для этого система охлаждения оснащена шестиконтактным разъёмом питания, как у видеокарт.

Суть технологии термоэлектрического охлаждения сводится к использованию разницы температур между двумя сторонами охлаждающей пластины, одна из которых нагревается, а другая охлаждается под воздействием электрического тока. При небольших нагрузках работает только одна секция радиатора кулера. При интенсивных нагрузках подключается вторая.

В состав Hex 2.0 также входит 92-мм вентилятор со скоростью работы от 1000 до 2650 об/мин, который создаёт воздушный поток до 44 кубических футов в минуту и обладает уровнем шума до 33 дБА.

О потенциальной стоимости кулера Hex 2.0 компания пока не сообщает. Также неизвестно, когда он появится в продаже.

Солнечные панели уже вырабатывают большой объём энергии, но революция произойдёт после того, как человечество начнёт преобразование тепла в электричество. Тепло от Солнца, от энергоёмких промышленных процессов, от ЦОД и неисчислимого количества источников пока невозможно эффективно превращать в электричество. Слишком высокой должна быть температура, чтобы мизерный КПД современных термоэлектрических элементов принёс хоть какую-то ощутимую пользу. Но надежда есть.

Источник изображений: Brenda Ahearn, Michigan Engineering

Учёные из Университета Мичигана около десяти лет совершенствуют придуманную ими термоэлектрическую ячейку на основе комбинации тонкослойных полупроводниковых материалов из арсенида индия-галлия (InGaAs). Особенностью термоэлектрического элемента команды из США можно считать комбинацию полупроводника с воздушным зазором и отражательным элементом из золота.

Перед учёными стоит задача улавливать как можно больше фотонов с инфракрасными длинами волн. Строго подобранный воздушный зазор с зеркальной подложкой позволяет возвращать фотоны, которые не поглотились полупроводником, обратно в тепловой аккумулятор. Это даёт им шанс снова попытаться быть поглощёнными, если их энергия достигнет необходимого значения. Тем самым КПД ячейки удалось повысить с предыдущего значения 37 % до 44 %, а со временем это позволит добиться ещё большей эффективности — на уровне 50 %.

Также важно отметить, что заявленный КПД получен при гораздо меньшем уровне нагрева источника тепла. Если до этого КПД до 40 % удавалось показывать при нагреве графита до 2000 °C или около того, то в новой работе КПД на уровне 44 % получен при нагреве графита до 1435 °C. Исследователи утверждают, что это позволило им в два раза повысить выход электрической энергии с каждого килограмма графита. Технология пока далека от масштабов выработки киловатт и более энергии, но понижение температуры рабочего тела (аккумулятора) с одновременным увеличением эффективности термоэлемента — это шаг в правильном направлении.

Исследователи из Корейского института науки и технологий (KIST) создали термостойкий материал, не теряющий своих свойств при нагреве до 1000 °C, а также под воздействием жёсткого ультрафиолетового излучения. Ожидается, что он найдёт применение в сфере получения электрической энергии от тепла, а также в космосе, где поможет охлаждать спутники и корабли.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

На Земле множество источников тепла, и это не считая энергии Солнца. Мы пока не научились эффективно превращать его в электрическую энергию напрямую. Из-за низкой эффективности современных термоэлектрических элементов наиболее выгодно сегодня работать с сильно нагретыми источниками. Чем выше его температура, тем лучше.

С другой стороны, по мере роста нагрева передающего тепло материала он начинает быстрее окисляться и ускоренно терять проводящие свойства. Группа южнокорейских учёных работала в этом направлении — искала материал, который не терял бы свои свойства при достаточно высоком нагреве и мог послужить проводником тепла от источника к приёмнику.

Традиционные тугоплавкие материалы, такие как вольфрам, никель и нитрид титана не подошли. Слишком активно они начинали окисляться при достижении максимальных температур. После поиска нужной формулы учёные остановились на оксиде станната бария, легированном лантаном (LBSO). Предложенный учёными процесс опирался на метод импульсного лазерного осаждения, что позволяло создавать тонкоплёночные покрытия из необычного материала.

Материал слабо реагирует на сильный нагрев и жёсткий ультрафиолет. Источник изображения: Korea Institute of Science and Technology

После проверок оказалось, что тонкоплёночный LBSO не коробился и не терял своих теплопроводящих свойств при нагреве до 1000 °C и был стабилен в многослойном исполнении. Также он оказался устойчив к ультрафиолетовому излучению мощностью 9 МВт/см². Это делает его идеальным для аэрокосмического применения для отвода тепла от космических аппаратов под лучами Солнца.

«LBSO внесет свой вклад в решение проблемы изменения климата и энергетического кризиса путём ускорения коммерциализации производства термоэлектрической энергии», — уверены авторы работы, опубликованной в журнале Advanced Science.

Учёные из Токийского университета разработали технологию для кратного повышения термоэлектрического эффекта при выработке электричества даже при небольших перепадах температуры. Это мусорное тепло можно брать отовсюду. Например, при охлаждении воздуха кондиционером, когда в процессе конденсации влаги выделяется немного энергии. И такие явления происходят везде от изготовления мороженного до выплавки стекла, чем можно будет воспользоваться.

Источник изображения: Pixabay

Предложение японских учёных строится на том, что даже малейшую разницу в температуре можно использовать для значительного усиления термоэлектрического эффекта. Сама разница в температуре вещества (жидкости или газа) возникает в процессе перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое — это конденсация или кристаллизация воды и подобные процессы.

При фазовом переходе выделяется энергия (либо поглощается при других условиях). В ограниченном объёме её мало, например, внутри того же кондиционера. Но японцы придумали способ усилить отдачу от этой энергии. Они собрали полимер, который при охлаждении распрямляется в спираль, а при нагреве сворачивается в клубок (глобулу). По-сути полимер либо растворяется в воде при её охлаждении ниже определённого значения, либо «конденсируется» при нагреве выше границы для растворения. С точки зрения химии происходят окислительно-восстановительные реакции, о чём учёные рассказали в статье Advanced Materials.

Опытная установка. Источник изображения: University of Tokyo

Переход клубок-глобула резко освобождает молекулы воды от полимерных цепей — полимер совершает свой фазовый переход. Это как запустить лавину с горы. Небольшая доля энергии «первичного» фазового перехода, например, в процессе конденсации воды в кондиционере запускает лавинообразный процесс конденсации полимера, что умножает выделение тепла и усиливает работу термоэлемента.

Фактически процесс повышает так называемый коэффициент Зеебека — меру эффективности работы термоэлектрического преобразователя — до +2,1 мВ/К. Это более чем в два раза выше, чем для уже исследованных органических растворов. Открытие настолько удачное, говорят учёные, что пора искать производителя для таких систем. И тогда «можно будет вырабатывать электроэнергию, охлаждая серверную комнату или двигатель автомобиля», утверждают участники исследования.

Примерное представление процесса

«Мы впервые подтвердили, что скрытое тепло может быть использовано для термоэлектрического преобразования, — заявил профессор Теппей Ямада с химического факультета Высшей школы наук Токийского университета. — Мы считаем, что для термоэлементов можно использовать различные виды материалов. Каждое вещество при соответствующих условиях может совершать фазовый переход: например, сливки в мороженое, песок в стекло, вода в пар и т.д. В принципе, с помощью этого метода можно извлекать электрическую энергию даже из малейшей разницы температур, что значительно увеличивает число ситуаций, в которых можно использовать термоэлектрическое преобразование».

Сегодня выработка электроэнергии сопровождается выбросом огромного количества тепла в окружающее пространство. Заманчиво обернуть эти потери себе на пользу, но современные технологии предлагают решения с очень низкой эффективностью — всего лишь единицы процентов. В США учёные создали метаматериал, который сулит значительное повышение эффективности такого преобразования.

Наностолбцы на кремнии под электронным микроскопом. Источник изображения: Advanced Materials

Термоэлектрический эффект — появление разности потенциалов на концах двух последовательно соединённых разнородных проводников при условии наличия разницы в температуре между обоими — двести лет назад открыл физик Томас Зеебек (Thomas Seebeck). Эффект назван его именем. Для эффективного преобразования тепла в электричество требуется, чтобы материал хорошо проводил электроны и плохо проводил тепло. Тогда на его концах будет большая разница температур и, как результат, высокий КПД. К сожалению, в природе такие материалы не встречаются. Если материал хорошо проводит ток, то он ровно так же хорошо будет проводить тепло, и наоборот.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали метаматериал, который хорошо проводит электроны и плохо проводит тепло. Следует сказать, что тепло в телах с твёрдой кристаллической решёткой передают квазичастицы фононы. И пусть они не настоящие частицы, но они точно так же подчинены корпускулярно-волновой теории — одновременно являются и частицами, и волной. Новый метаматериал использует волновые свойства фононов, чтобы повлиять на скорость их распространения в материале.

Структурно новый метаматериал представляет собой лист кремния, на котором выращивают нанокристаллы из нитрида галлия. Затем кремниевую подложку истончают до требуемой толщины. Получается следующее. Когда тепло передаётся от одного края листа до другого, оно передаётся также посредством наностолбцов. В столбиках возникают стоячие волны с периодом, значение которого диктует их форма — узкий столбец. Эти волны намного-намного короче волны фононов, которая свободно распространяется в кремнии. Оказалось, что стоячие волны в наностолбцах резонируют с волнами фононов в кремнии, заставляя фононы в кремнии подстраивать свою длину волны под «запертую».

Источник изображения: NIST

В результате эксперимента, о котором рассказано в журнале Advanced Materials, учёные смогли уменьшить теплопроводность кремния на 21 % без ухудшения его электропроводности. Физики надеются, что вскоре смогут представить решение с высокой скоростью преобразования тепла в электричество, что откроет путь к новым термоэлектрическим приборам или позволит создать более эффективные радиаторы для электроники.

Бытовая электроника и техника, да и сами люди выделяют тепло, которое обычно просто рассеивается в окружающей среде. Термоэлектрические генераторы (ТЭГ), которые преобразуют разницу температур в электричество известны давно, но теперь исследователям удалось создать на основе полимера мягкий и эластичный термоэлектрический генератор, который к тому же сможет полностью разлагаться под воздействием окружающей среды.

Источник изображения: Korea university

В отличие от традиционных термоэлектрических устройств, новый генератор можно будет легко интегрировать на тканевую основу, что позволяет создавать носимые на теле датчики, работающие от тепла, или одноразовые маски для лица, которые способны измерять температуру.

В ТЭГ поток зарядов между горячими и холодными областями приводит к появлению разницы потенциалов и генерированию электрического тока. Такие генераторы изготавливают различными способами из разных материалов. Обычно это устройство, одна сторона которого остаётся холодной, а другая соприкасается источником тепла.

Поскольку они представляют собой полупроводниковые устройства без движущихся частей, ТЭГ требуют минимального обслуживания и весьма долговечны. До сих пор такие устройства изготавливались из сравнительно дорогих и, порою, токсичных полупроводниковых материалов, таких как теллурид висмута и теллурид свинца, и в основном находили применение в нишевых приложениях, таких как космические корабли и спутники. Например, недавно команда учёных разработала способ получения электричества в космосе, поместив материал, излучающий тепло в космическое пространство, поверх материала, поглощающего тепло из воздуха внутри космического аппарата.

Исследователи давно стремились снизить стоимость и повысить эффективность ТЭГ, однако материалы и конструкции, используемые до сих пор для изготовления ТЭГ, «могут привести к созданию сложного и неэффективного ТЭГ, который будет громоздким и трудным для установки с другими компонентами», — говорит Янг Мин Сонг (Young Min Song), профессор электротехники и информатики в корейском институте науки и техники.

Сонг и его коллеги решили отказаться от традиционного «двухстороннего» подхода. Вместо этого они используют узор, вдохновлённый полосками зебры, чтобы создать между этими самыми полосками разницу температур, которая достаточно велика для производства электроэнергии. На белый лист, сделанный из эластичного и биоразлагаемого полимера поликапролактона, который обычно используется для хирургических имплантатов и шовного материала, равномерно наносятся полосы чёрного полимера. Белые полосы отражают солнечный свет и излучают тепло в инфракрасном диапазоне, а чёрные, наоборот, поглощают. Таким образом, чередующиеся чёрные и белые полосы создают горячие и холодные области на эластичной полимерной основе.

Источник изображения: Korea university

Этот полосатый лист помещён поверх так называемой «кремниевой наномембраны». Она представляет собой массив из полупроводниковых нанопроводников волнообразной формы, за счёт чего они могут растягиваться, не ломаясь.

При тестировании на открытом воздухе в солнечный день, белые полосы стали на 8 °C холоднее, а чёрные на 14 °C теплее температуры окружающего воздуха, создав максимальную разницу температур в 22 °C. Нанопроводники преобразовывали эту разницу температур в электрическую энергию, генерируя максимальную мощность около 6 микроватт на квадратный метр (мкВт/м²).

По словам Сонга, этого достаточно для работы датчиков с низким энергопотреблением, но, безусловно, ниже идеала для коммерческих приложений. Использование более термоэлектрически эффективных материалов, увеличило бы выходную мощность, но главные преимущества устройства — дешевизна, эластичность и биоразлагаемость — были бы утрачены.

Источник изображения: Korea university

«Даже когда образец был растянут примерно в 1,3 раза, производительность генерации сохранилась», — утверждает Сонг. В лаборатории устройство полностью растворилось на безвредные побочные продукты за 35 дней при помещении в солевой раствор. По словам Сонга, такая деградация в естественной среде займёт больше времени.