Бросовое тепло – в розетку

Зачем нужны природные источники энергии – возобновляемые и невозобновляемые? С их помощью передвигаются автомобили, вырабатывается электроэнергия. Но большое их количество (в том числе и в форме электричества) тратится на выработку тепла. Между тем ряд производственных механизмов работают с выделением попутного, бросового тепла, которое не используется.

Физики из Университета Аризоны разработали новый метод обогащения и использования бросового тепла, получения электроэнергии на его основе. Их работу публикует ACS Nano.

Ученые полагают, что их разработку можно использовать в автомобильной промышленности, электроэнергетике, на производстве и для повышения эффективности работы солнечных батарей.

Используя теоретическую модель так называемого молекулярного термоэлектрического модуля, группе ученых под руководством профессора Чарльза Стаффорда

удалось разработать устройство, с высокой эффективностью переводящее тепловую энергию в электрическую.

«Термоэлектрические материалы дают возможность без потерь получать электричество из тепла. В таком устройстве не будет неподвижных частей (в отличие от турбин). Пока это лишь теоретическая модель, однако наши коллеги-экспериментаторы считают, что разработанное устройство действительно будет функционировать и покажет те характеристики, которые мы наблюдали при моделировании. Эффективность нового устройства будет в 100 раз выше, чем существующие сейчас аналоги», – отметил Джастин Бергфилд, первый автор работы.

Сейчас бросовое тепло используют в холодильниках или паровых турбинах. Однако первые наносят определенный вред окружающей среде, так как в них используются разрушающие озоновый слой вещества – фреоны, а вторые не отличаются большой эффективностью из-за необходимости первичного перевода тепловой энергии в механическую.

Предлагаемая система представляет собой резиноподобный полимерный слой, зажатый между двух листов металла, служащих электродами.

Если выхлопные трубы автомобилей или вытяжки заводских помещений покрыть этим материалом толщиной меньше миллионной доли сантиметра, то выбрасываемую тепловую энергию удастся запасать в виде электричества.

«В основе разработки – корпускулярно-волновой дуализм электрона. Красная спортивная машина одновременно является и машиной, и красной. Также электрон одновременно является и частицей, и волной. Просто в случае электрона это сложнее понять, чем в случае спортивной машины», – пояснил Бергфилд.

Полимерный слой – ключевой элемент устройства, должен состоять из полифениловых эфиров (на иллюстрации в начале заметки). «Скелет» длинной полимерной молекулы содержит бензольные кольца, каждое из которых состоит из шести углеродных атомов. Цепная сопряженная структура служит «молекулярным проводом», по которому «путешествуют» электроны.

«Мы работали с этими молекулами и ранее, а теперь нам пришла мысль использовать их как термоэлектрические устройства. Теоретическое моделирование показало, что длинные цепи полиэфира «вырастают» в виде «леса» из молекул, зажатого между электродами, вокруг источника тепла», – объяснил Бергфилд.

Особая структура соединения обуславливает эффективное преобразование тепловой энергии. Подобно тому, как вода распределяется по двум рукавам реки, поток электронов разделяется, как только встречает на своем пути бензольное кольцо, причем одна из «струй» минует кольцо быстрее другой. Таким образом, достигается разность фаз между волнами в точке, где поток электронов снова соединяется. При определенной разности хода волн наблюдается минимум их интерференции, то есть они как бы гасят друг друга. Если к контуру прикладывается тепловая энергия, в этой системе возникает электрический потенциал.

В числе плюсов нового устройства его авторы указывают простоту механизма и производства, возможность иметь достаточно необходимых материалов.

«В сущности, наблюдаемый эффект не уникален для полиэфиров. Любое квантовое устройство, где будет происходить гашение волны, сможет работать так же. Чем больше будет разница температур, тем больше энергии получится», – подытожил Бергфилд.

Такими системами можно оснастить и солнечные батареи. Тогда охлаждение будет происходить более эффективно, а выработка энергии повысится.