Способ превращения тепловых отходов в электроэнергию

Источник: phys.org

Клатраты — это кристаллы, состоящие из крошечных клетчатых структур, в которых могут быть заключены отдельные атомы другого вещества. Эти дополнительные атомы могут значительно изменить свойства кристалла. За счет заключения в клатрат атомов церия, ученые из Венского Технологического Университета (Австрия) создали материал с уникальными термоэлектрическими способностями. Он может быть использован для превращения промышленных тепловых отходов в электричество. Как отмечает профессор Силк Бюлер-Паше, физические характеристики клатратов зависят от взаимодействия между захваченными атомами и окружающими их клетками. Выбор церия в качестве наполнителя клеток обусловлен тем, что магнитные свойства металла обещают наиболее интересный эффект. Но до сих пор попытки включить магнитные атомы, подобные церию, в структуру клатратов заканчивались неудачей.

Профессор Бюлер-Паше и его коллега профессор Андрей Прокофьев смогли добиться успеха, разработав технологию выращивания кристаллов в специальной зеркальной печи. Она позволяет изготавливать клатраты из бария, кремния и золота, с инкапсулированными отдельными атомами церия. После получения нового материала ученые протестировали его термоэлектрические свойства. Термоэлектричество — это электрический ток, получаемый за счет соединения двух сред с большой разницей температур. Тепловое движение электронов в материале зависит от температуры. Электроны с горячей стороны стремятся диффундировать в более холодную сторону. Таким образом, создается напряжение между двумя сторонами термоэлектрического материала.

Эксперименты показали, что атомы церия позволяют повысить термоэдс материала на 50%. Кроме того, теплопроводность самого клатрата очень невелика. Это тоже важно, так как при высокой теплопроводности температуры по обе стороны материала быстро уравновешиваются, и напряжение пропадает. По словам профессора Бюлер-Паше, главная причина этих превосходных свойств материала обусловлена особым видом электро-электронных корреляций, так называемым эффектом Кондо. На самом деле, эффект Кондо известен в основном из физики низких температур, близких к абсолютному нулю. Но удивительно, что эти же кванто-механические корреляции играют важную роль в работе нового клатратного материала, даже при температуре в сотни градусов Цельсия.

Электроны атомов церия квантово-механически связаны с атомами кристалла. При этом захваченные магнитные атомы постоянно «гремят прутьями» своих клеток, и с ростом температуры этот «стук» становится все интенсивнее. Такой «стук» стабилизирует эффект Кондо при высокой температуре. В итоге у ученых появляется возможность впервые наблюдать «горячий» эффект Кондо. Теперь исследователи Венского Университета прилагают усилия, чтобы добиться таких же впечатляющих результатов от более дешевых и доступных материалов. В частности, они планируют заменить золото медью, а церий — более дешевой смесью других редкоземельных элементов. Если технология станет коммерчески привлекательной, она в будущем поможет превратить тепловые потери предприятий в электричество.