Отечественные ученые придумали новый тип термоячеек, превращающих тепло в электричество. Они обеспечивают на порядок более высокую мощность по сравнению с аналогами, что позволяет использовать их в качестве источника питания различных гаджетов. Причем для их работы достаточно тепла человеческого тела.
Российские термоячейки
Ученые Национального исследовательского технологического университета МИСиС (НИИТУ «МИСиС») разработали новый тип энергоэффективных устройств – термохимических ячеек (термоячеек), превращающих тепло в электрическую энергию. Об этом говорится в пресс-релизе, опубликованном на официальном сайте университета.
Технология, предложенная российскими специалистами, как ожидается, позволит выпускать компактные элементы питания. Их можно будет размещать практически на любой поверхности – к примеру, на одежде, и использовать для выработки электрического тока за счет разницы в температурах человеческого тела и окружающей среды. Полученную энергию можно будет направить на подпитку различных мобильных устройств.
Работа термоячеек основывается на эффекте Зеебека. Эффект Зеебека, открытый в 1821 г. немецким физиком Томасом Зеебеком (Thomas Seebeck), заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает электродвижущая сила (ЭДС), если места контактов поддерживают при разных температурах. Термоэлектричество в НИИТУ «МИСиС» называют одним из самых перспективных направлений «зеленой энергетики». Серьезным недостатком уже существующих современных образцов термоячеек является их низкая выходная мощность. Это существенно ограничивает область их применения.
Новые термоячейки, разработанные россиянами, состоят из оксидно-металлических электродов на основе полых никелевых микросфер и водного электролита. Такая комбинация, по словам специалистов, позволяет повысить ток, одновременно снижая внутреннее сопротивление элемента, получив на выходе увеличение мощности в 10-20 раз по сравнению с аналогами – напряжение разомкнутой цепи может достигать 0,2 В при температуре электрода до 85 градусов Цельсия. Кроме того, использование водного электролита снижает стоимость производства и повышает безопасность системы. По словам одного из авторов работы, ведущего эксперта кафедры ФНСиВТМ НИТУ «МИСиС» Игоря Бурмистрова, был достигнут рекордный (4,5 мВ/К) для водных электролитов показатель гипотетического коэффициента Зеебека (термоэлектрической чувствительности), а также выявлено нетипичное для термоячеек нелинейное изменение вольт-амперных характеристик, обеспечивающее рост коэффициента полезного действия (КПД) устройства.
Результаты работы российских ученых опубликованы в британском журнале Renewable Energy. В будущем специалисты планируют добиться повышения выходной мощности за счет оптимизации состава электродного материала и улучшения конструкции термоячейки. В перспективе же можно создать суперконденсатор, который бы сохранял в себе заряд длительное время.
К слову, в августе 2019 г. CNews писал о том, что в НИТУ «МИСиС» нашли применение борщевику – опасному сорняку, в изобилии произрастающему на территории России. Как выяснилось, его стебли можно использовать в производстве электродов для суперконденсаторов. Полученные в ходе исследований результаты показали, что, несмотря на растительное происхождение электродов, суперконденсаторы не утратили своих свойств, смогли накапливать заряд в больших объемах и хранить его продолжительное время.
Атомная батарейка
Отечественные специалисты из НИТУ «МИСиС» также смотрят и в сторону других типов портативных источников тока. Так, в августе 2020 г. они продемонстрировали собственный прототип батареи, конструкция которой основана на запатентованной микроканальной 3D-структуре никелевого бета-гальванического элемента. Срок службы такой батарейки – 20 лет.
Особенность трехмерной структуры батарейки заключается в том, что радиоактивный элемент наносится с двух сторон так называемого планарного p-n перехода, что позволяет упростить технологию изготовления элемента, а также контролировать обратный ток, который «крадет» мощность батареи. Особая микроканальная структура обеспечивает увеличение эффективной площади преобразования бета-излучения в 14 раз, что в результате дает общее увеличение тока.
За счет оригинальной 3D-структуры бета-гальванического элемента размеры батареи, по словам разработчиков, по сравнению с предыдущими уменьшились втрое, удельная мощность повысилась в 10 раз, а себестоимость снизилась на 50%.
Батарейка может быть применена в нескольких функциональных режимах: в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах, используемых при экстремальных температурах и в труднодоступных (или совсем не доступных) местах: в космосе, под водой, в высокогорных районах.
В США тоже заняты разработкой бета-гальванических батарей. К примеру, американская компания Nano Diamond Battery недавно заявила о создании прототипа батареи такого типа, которая якобы может работать 28 тыс. лет. В ее основе лежит сердечник из переработанных ядерных отходов, но для человека она безопасна за счет покрытия из специальных синтетических алмазов.
