Видео дня
Ученые задумались над аккумуляцией тепла
Ежедневно мы теряем огромное количество тепла — греются автомобильные двигатели, дымят электростанции, пропадает втуне солнечный свет. В течение долгих десятилетий наука не могла придумать, как эффективно улавливать и применять это тепло, и только недавняя волна исследований позволяет говорить о какой-то надежде.
Солнечный свет, достигающий Земли, сегодня успешно преобразовывается с помощью солнечных батарей в электричество, но тепло всё равно уходит. Джеффри Гроссман из Массачусетского технологического института (США) и его коллеги одержимы идеей аккумулятора, который сможет хранить и выделять тепло солнечных лучей по требованию.
Предыдущие исследования показали, что определённая форма углеводорода фульвалена — дирутения фульвалена (тетракарбонилдирутения) — обладает способностью накапливать солнечное тепло в химическом виде. Под воздействием катализатора дирутений фульвалена может разогреваться до 200 ?C — этого достаточно для запуска двигателя Стирлинга. Но рутений — редкий и дорогой элемент, не пригодный для использования в аккумуляторных батареях. Поэтому группа г-на Гроссмана решила узнать побольше о том, как молекулы хранят и выделяют тепло.
В журнале Angewandte Chemie исследователи сообщают о следующем открытии: когда молекулы дирутения фульвалена поглощают солнечный свет, они переходят в более высокое энергетическое состояние, в котором могут оставаться стабильными в течение неопределенно долгого времени. При воздействии катализатора молекулы переключаются обратно в исходное состояние, выделяя тепло. Осталось с помощью компьютерных моделей подыскать экономичную замену. В один прекрасный день этот материал сможет собирать не только солнечное тепло, но и, скажем, тепло автомобильного двигателя.
Группа Джеффри Гроссмана конкурирует с Рэем Боманом, сотрудником Университета Далласа (США), который вместе с коллегами разработал «термоклетку» (thermocell) на основе углеродных нанотрубок. Устройство состоит из двух электродов: один помещён рядом с источником тепла, а другой — ближе к более холодному воздуху. Электроды связаны химической смесью, в которой тепловой градиент вызывает протекание реакций, разгоняющих электроны во внешней цепи. О своих успехах Рэй Боман отчитался в журнале Nano Letters.
Это не единственная попытка использовать термоэлектрические материалы, которые преобразуют разницу температур на поверхности в ток. Но, увы, большинство таких устройств основано на редких, дорогих и неустойчивых материалах вроде теллурида висмута, что делает их непригодными для широкого использования. Только сейчас группа Пэйдуна Янга из Калифорнийского университета в Беркли (США) придумала, как можно опереться на более дешёвую альтернативу — кремний.
Их термоэлектрическое устройство изготовлено из тонких кремниевых мембран, в которых проделаны наноотверстия. Изменение структуры замедляет прохождение тепла через материал, что облегчает задачу управления тепловыми градиентами через мембрану и позволяет воспользоваться так называемым эффектом Зеебека, при котором напряжение создаётся благодаря градиенту температуры.
Любопытно, что это устройство способно работать и в обратном направлении, то есть «высасывать» тепло при подаче электричества. Его можно использовать для охлаждения, к примеру, компьютеров. Гибкая кремниевая плёнка позволит обернуть собой любую поверхность.
В журнале Nano Letters г-н Янг утверждает, что существующие промышленные технологии уже позволяют производить нужный материал. Полным ходом идёт создание коммерческого прототипа.