Тонкий генератор на основе железа использует отработанное тепло для обеспечения небольшого количества энергии

Исследователи нашли способ преобразовывать тепловую энергию в электричество с помощью нетоксичного материала. Материал в основном железо, что очень дешево, учитывая его относительное содержание. Генератор на основе этого материала может питать небольшие устройства, такие как дистанционные датчики или носимые устройства. Материал может быть тонким, поэтому он может иметь различную форму.

Нет такого понятия, как бесплатный обед или бесплатная энергия. Но если ваши потребности в энергии достаточно низки, например, в случае небольшого датчика, то есть способ использовать тепловую энергию для подачи энергии без проводов или батарей. Научный сотрудник Акито Сакаи и члены его группы из Института физики твердого тела и физического факультета Токийского университета, возглавляемого профессором Сатору Накацудзи, и из отдела прикладной физики, возглавляемого профессором Риотаро Арита, предприняли шаги в этом направлении, это основная цель работы с их инновационным термоэлектрическим материалом на основе железа.

“Пока что все исследования термоэлектрической генерации были сосредоточены на установленном, но ограниченном эффекте Зеебека”, – сказал Накацудзи. – “Напротив, мы сосредоточились на относительно менее знакомом явлении, называемом аномальным эффектом Нернста (ANE)”.

ANE создает напряжение, перпендикулярное направлению градиента температуры на поверхности подходящего материала. Это явление может упростить конструкцию термоэлектрических генераторов и повысить эффективность их преобразования, если нужные материалы станут более доступными.

“Мы создали материал, который на 75 процентов состоит из железа и 25 процентов алюминия (Fe ₃ Al) или галлия (Fe ₃ Ga) с помощью процесса, называемого легированием”, – сказал Сакаи. – “Это значительно повысило ANE. Мы увидели двадцатикратный скачок напряжения по сравнению с нелегированными образцами, что было интересно видеть”.

Это не первый раз, когда команда демонстрировала ANE, но в предыдущих экспериментах использовались материалы, менее доступные и более дорогие, чем железо. Привлекательность этого устройства отчасти связана с его дешевизной и нетоксичностью, а также с тем фактом, что оно может быть изготовлено в виде тонкой пленки, чтобы его можно было формовать для различных применений.

“Тонкие и гибкие структуры, которые мы можем теперь создать, могут собирать энергию более эффективно, чем генераторы, основанные на эффекте Зеебека”, – пояснил Сакаи. – “Я надеюсь, что наше открытие может привести к использованию термоэлектрических технологий для питания носимых устройств, удаленных датчиков в недоступных местах, где батареи нецелесообразны, и многого другого”.

До недавнего времени такого рода развитие в материаловедении происходило главным образом из повторяющихся итераций и уточнений в экспериментах, которые были и трудоемкими, и дорогостоящими. Но команда в значительной степени опиралась на вычислительных методах для численных расчетов, которые эффективно сокращают время между первоначальной идеей и доказательством успеха.

“Численные расчеты внесли большой вклад в наше открытие, например, высокоскоростные автоматические расчеты помогли нам найти подходящие материалы для испытаний”, – сказал Накацудзи. – “И вычисления первых принципов, основанные на квантовой механике, ускоряют процесс анализа электронных структур, которые мы называем узловыми тканями, которые имеют решающее значение для наших экспериментов”.

“До сих пор такого рода численные расчеты были непомерно трудными”, – сказала Арита. – “Поэтому мы надеемся, что не только наши материалы, но и наши вычислительные методы могут быть полезными инструментами и для других. Мы все хотим однажды увидеть устройства, основанные на нашем открытии”.

По материалам Techxplore