Перетворити тепло в корисну енергію

Дослідження, стаття з описом якого минулого тижня вийшла в журналі Science Advances, може допомогти створити генератори електроенергії з таких джерел тепла, як, скажімо, вихлопи автомобілів, промислові процеси чи батареї міжпланетних космічних станцій.

«Завдяки цьому відкриттю ми зможемо генерувати більше електроенергії із тепла. Досі це здавалося неможливим», — каже співавтор дослідження Джозеф Гереманс, професор механіки та аерокосмічної інженерії Університету штату Огайо.

В основі відкриття лежать невеликі квазічастинки, звані парамагнонами. Вони є не повноцінними магнітами, а носіями деякого магнітного потоку. Відомо, що під час нагрівання магніти втрачають свої властивості і стають так званими парамагнетиками. Магнітний потік здатний генерувати вид енергії, яка називається «термоелектрикою магнонового притягування» (magnon-drag thermoelectricity). Хоча теорія в основі цього явища відома, досі вчені не вірили, що його можливо використовувати для генерування енергії вже за кімнатної температури.

«Згідно з дотеперішніми уявленнями, якщо ви маєте парамагнетик і почнете його нагрівати, то нічого не відбудеться, — каже Гереманс. — Ми ж виявили, що це не так. Натомість ми відкрили новий спосіб виготовлення термоелектричних напівпровідників — матеріалів, які перетворюють тепло в електрику. Звичайна термоелектрика, яку ми маємо вже протягом 20 років, є малоефективною і генерує надто мало електроенергії, щоб її можна було широко використовувати. Наше дослідження змінює ці уявлення».

Магніти — це ключова ланка процесу збирання енергії з тепла. Коли одна сторона магніту нагріта, то інша його сторона (холодна) стає більш намагніченою й утворює спін, який «штовхає» в магніті електрони, які й породжують електрорушійну силу.

Проблема, однак, у тому, що коли магніти нагріваються, вони втрачають свої магнітні атрибути й стають парамагнетиками — «майже, але не зовсім магнітами», як їх називає Гереманс. Досі науковці не вірили, що парамагнетики можна використовувати для збирання тепла, адже вони не можуть накопичувати енергію.

Натомість команда виявила, що насправді вони «штовхають» електрони лише протягом мільярдної мільйонної частки секунди. Це може здаватися нікчемно мало, але насправді цього досить, щоби зробити їх життєздатними збирачами енергії.

Міжнародна група науковців з Університету штату Огайо, Університету штату Північна Кароліна та Китайської академії наук дослідила властивості парамагнонів, щоби побачити, чи можуть вони за певних умов породжувати необхідний спін. Основний висновок із дослідження полягає в тому, що це і справді так — а це, своєю чергою, дозволяє їх використовувати для збирання енергії.

A new way to turn heat into useful energy

ScienceDaily, 23/09/2019

Зреферував Є. Л.