При столь высоких ценах на бензин как неприятно представлять себе, что около трех четвертей потенциальной энергии, за которую мы платим, уходит на ветер, по большей части просто сливаясь из хвостовика глушителя на землю, вместо того, чтобы питать автомобиль.

Группа исследователей, возглавляемая учеными из Северо-Западного Университета (Northwestern University) США, разработала новый, многообещающий материал, который может сделать переворот в автомобильных технологиях. Речь идет о термоэлектрическом материале, который сегодня используется в технологии охлаждения и нагрева сидений автомобилей, но может оказаться перспективным при преобразовании тепловых потерь в эффективную мощность. Исследования показали, что добавка двух металлов: сурьмы и свинца к хорошо известному полупроводнику- теллуриду свинца, производит термоэлектрический материал, который имеет гораздо более высокую эффективность при высоких температурах по сравнению с существующими материалами. Результаты опубликованы в интернет-издании журнала Angewandte Chemie («Large Enhancements in the Thermoelectric Power Factor of Bulk PbTe at High Temperature by Synergistic Nanostructuring»).

Авторы отмечают, что они не могут объяснить все 100% полученных результатов, но эти результаты сами по себе несут новый механизм, а может быть и новую науку повышения эффективности термоэлектриков. Сегодня технология термоэлектричества используется лишь в отдельных нишах рыночных технологий, таких, например, как нагрев и охлаждение твердых тел, поскольку такие материалы еще не имеют высокой эффективности. С новыми материалами и более высокой эффективностью, приборы, основанные на термоэлектрических технологиях могут найти более широкое применение в автомобильной промышленности, преобразовании солнечной энергии, преобразовании избыточного тепла атомных реакторов, дымоходов и промышленного оборудования.

Эффективность (КПД) современных термоэлектриков составляет всего 5–6 процентов, но новое поколение материалов, базирующееся на последних достижениях исследователей, включая настоящее от Северо-Западного Университета, может поднять эффективность до 11–14%. Программа-максимум предполагает достижение уровня 20%. Термоэлектрические материалы проебразуют тепло в электричество, используя эффект разности температур.

Электроны осуществляют движение от более горячего участка материала к более холодным зонам, создавая этим самым положительный и отрицательный электроды и, соответственно, электрическое напряжение. Термоэлектрические преобразователи, например, могут быть приделаны к выходу автомобильного глушителя. При этом, сторона материала, прилегающая к трубе глушителя будет горячей, а противоположная сторона, обращенная в сторону, будет, соответственно, холодной. Температурной разницы будет вполне достаточно для того, чтобы генерировать электричество, которое могло бы возвращаться в двигатель для совершения дополнительной работы. Такие же устройства могли бы быть использованы на больших промышленных предприятиях с большим потреблением тепла, например, теплостанциях, химических заводах, производстве стекла.

Автомобильные компании работают над проблемой повышения эффективности термоэлектриков как частью их программы повышения эффективности расхода топлива. Они рассчитывают увеличить дальность пробега на 5–10% на галлон бензина при использовании более совершенных термоэлектриков, как отмечают авторы статьи. Более совершенный материал должен иметь: высокую электропроводность (для переноса большого количества электричества), низкую термическую проводимость (для поддержания разности температур и предупреждения их выравнивания) и возможность генерировать как можно большее напряжение при минимальной разности температур. Материал, имеющий одновременно все три параметра найти очень трудно, но группа проф. Канатзидиса (Mercouri G. Kanatzidis) тем не менее сделала это и довольно неожиданным путем.

Четыре года назад проф. Канатзидис и его исследовательская группа открыли класс материалов, базирующихся на теллуриде свинца, которые имели удвоенную эффективность по сравнению с существующими материалами. Исследователи смогли существенно уменьшить термопроводность не изменяя электрических свойств материала путем введения нано-точек – малых частиц теллурида серебра и сурьмы диаметром 2–10 нм – в матрицу теллурида свинца.

В настоящей работе (которая опубликована в Angewandte Chemie) проф. Канатзидис и его соавтор задумали добавить два различных материала – металлы свинец и сурьму, точно так же в виде нано-точек – к теллуриду свинца, с тем, чтобы проверить возможность еще большего уменьшения термопроводности. Их удивлению не было предела, когда они получили результаты. Авторы отмечают, что термопроводность осталась на прежнем уровне, однако значительно возросла электропроводность при высоких температурах, чего они не ожидали. Это означает появление нового материала с существенно более высокой электропроводностью и низкой термопроводимостью. Интересно, что добавки только одного из компонентов (или сурьмы или свинца) не приводили к улучшениям совсем. Оба металла- и сурьма и свинец- должны присутствовать в теллуриде свинца для повышения электропроводности базового материала. Отмечено меньшее рассеяние и большая скорость движения электронов в присутствии обеих присадок. проф. Канатзидис предполагает, что обнаруженное явление стимулирует новые научные работы и позволит генерировать новые эффективные идеи для разработки термоэлектрических материалов будущего.

Евгений Биргер