Піроелектрична наноплівка перетворить тепло від електричного струму знову на струм

Американські вчені отримали піроелектричний матеріал, що перетворює теплову енергію в електричну з рекордними значеннями щільності енергії та коефіцієнта корисної дії. Цей матеріал являє собою плівку сегнетоелектричного релаксора товщиною 150 нанометрів і в майбутньому його можна використовувати для підвищення ефективності споживання енергії, пишуть вчені в.

Щоб підвищити ефективність споживання енергії, зазвичай прагнуть звести до мінімуму всі її можливі втрати. Для цього можна або підвищувати ефективність первинного використання енергії, або якимось чином використовувати вторинну енергію, не використану спочатку. Один з варіантів другого підходу - використання теплової енергії, яка виділяється в електронних пристроях. Оскільки на непотрібний розігрів витрачається до 70 відсотків всієї енергії, розробка ефективних способів перетворення тепла - актуальна проблема для сучасної енергетики розвинених країн. Зазвичай для цього пропонують використовувати термоелектричні пристрої, які перетворюють на електрику різницю температур або більш складні пристрої, наприклад термогальванічні комірки, проте в пошуку більш ефективних методів вчені іноді пропонують і інші матеріали та методи.

Американські вчені під керівництвом Лейна Мартіна (Lane W. Martin) з Каліфорнійського університету в Берклі розробили новий спосіб ефективного перетворення тепла, який виділяється в проводах, в електричний струм. Для цього вони запропонували використовувати плівку з матеріалу, який на третину складається з титанату свинцю, а на дві третини - зі змішаного ніобата свинцю і магнію. Цей матеріал володіє властивостями сегнетоелектричного релаксора, тобто при певній температурі може переходити в поляризований стан, при цьому такий перехід відбувається не стрибком, а сильно розтягується по температурі. За рахунок цього матеріал можна використовувати як піроелектрик, тобто при нагріванні в ньому відбувається поділ зарядів і виникає різність потенціалів.

Дослідники запропонували використовувати для перетворення тепла не об'ємний матеріал, а плівку товщиною всього 150 нанометрів, що дає можливість для застосування підходу в широкому діапазоні температурних коливань і електричних напружень. Запропоновану концепцію вчені перевірили за допомогою спеціального багатошарового пристрою, в якому можна було вимірювати піроелектричний, сегнетоелектричний і діелектричний відгук матеріалу у відповідь на зміну температури, а також при додатку зовнішнього електричного поля.

Результати експериментальних вимірювань показали, що використаний вченими матеріал значно перевершує інші використовувані для подібних цілей піроелектрики: його піроелектричний коефіцієнт доходить до 550 мікрокулонів на квадратний метр при збільшенні температури на один градус. Крім того, виявилося, що його піроелектричний ефект можна контрольовано збільшувати за рахунок зовнішнього електричного напруження. У результаті вченим вдалося досягти рекордних показників для піроелектричних матеріалів відразу за кількома параметрами: щільність енергії досягла 1,06 джоуля на кубічний сантиметр, щільність потужності - 526 ватт на кубічний сантиметр. Ефективність цього матеріалу теж виявилася максимальною - 19 відсотків від ККД циклу Карно. Ці показники дуже близькі до параметрів кращих термоелектричних матеріалів при різниці температур в 10 градусів.

Вчені відзначають, що наступним етапом роботи стане оптимізація геометрії самої плівки і всього пристрою для роботи з реальними тепловими потоками від провідних елементів різних пристроїв. Однак виходячи з отриманих даних вже зараз можна стверджувати, що такі піроелектричні плівки можуть стати одним з найбільш ефективних матеріалів для перетворення вторинного тепла в корисну енергію.

Використані вченими сегнетоелектричні релаксори - досить незвичайний клас матеріалів, властивості яких до кінця не вивчені. Наприклад, досі не визначена точна причина незвичайного розтягнутого фазового переходу релаксорів. Нещодавно вчені виявили, що це явище може бути пов'язане з градієнтною зміною впорядкованих і неупорядкованих з точки зору хімічного складу областей всередині кристала.