В погоне за эффективностью: тепло электроники – в электричество

Нет устройств, которые могли бы преобразовать всю потребляемую ими энергию в полезный вид. От компьютерного процессора до двигателя автомобиля – везде происходят потери, в том числе в виде тепла. Однако согласно новому исследованию возможно собрать это немалое количество теряемой тепловой энергии и превратить её в электрическую. В результате, например, время работы мобильных телефонов от одного заряда аккумуляторов увеличится как минимум вдвое, то же касается портативных ПК, а электростанции намного эффективнее будут расходовать топливо. Такие перспективы видит соавтор концепции профессор инженерии в области электроники в Массачусетском технологическом институте (MIT) Петер Хагельштейн (Peter Hagelstein).



Как утверждает Хагельштейн, существующие полупроводниковые устройства, предназначенные для выполнения этой функции – преобразования тепла в электричество – не слишком эффективны. В своём исследовании совместно с аспирантом Деннисом Ву (Dennis Wu) профессор поставил цель выяснить, насколько близко можно подойти к теоретическому пределу в превращении одного вида энергии в другой. Согласно теоретическим выкладкам, ни одна система не может преодолеть так называемый предел Карно – показатель, основанный на предложенной в XIX веке формуле определения максимальной эффективности, которой может достичь устройство при конвертировании тепла в работу. Но сегодняшние коммерческие термоэлектрические решения не предлагают и одной десятой этого лимита. В экспериментах с использованием технологии тепловых диодов Хагельштейн показал, что возможно подойти к 40% значению от предела Карно. Более того, по расчётам учёных потенциал их разработки позволяет заявлять о "потолке" в 90%.

Хагельштейн, Ву и их коллеги начали испытания на лабораторном оборудовании вместо современной продукции высокотехнологичной промышленности. Анализ производился на очень простой системе, где тепло генерировалось устройством с одиночной квантовой точкой, которое представляет собой тип полупроводника с электронами и "дырками", очень ограниченными в трёх измерениях. Контролируя все характеристики устройства, учёные надеются лучше понять, как изготовить близкий к идеальному термоэлектрический преобразователь. По оценке Хагельштейна, присутствующие на рынке технологии способны на эффективное преобразование, но лишь в том случае, если речь идёт о малой мощности. Если же количество энергии должно быть большим, то это возможно только с неэффективными, массивными и дорогостоящими системами. Другими словами, нужно так или иначе чем-либо поступиться. Однако разработка исследователей обладает обоими преимуществами.



Ключом к повышению мощности является уменьшение разделяющего горячую поверхность и преобразователь расстояния. Из недавней статьи профессора из MIT Гена Чена (Gang Chen) следует, что перенос тепла между очень близко расположенными поверхностями может происходить эффективнее, чем предсказывали теории. Новое же исследование пошло дальше, показав путь к использованию этого явления. Над практической реализацией схожей технологии конвертирования работает компания MTPV Corp. (Micron-gap Thermal Photo-Voltaics – микронное термальное фотоэлектричество), основанная Робертом ДиМаттео (Robert DiMatteo), который также намеревается извлечь прибыль из идеи Хагельштейна. Его собственная технология появится на рынке в следующем году и предоставит в 10 раз большую выходную мощность по сравнению с сегодняшними фотоэлектрическими устройствами, а разработка учёных из MIT потенциально способна повысить характеристики ещё в 10 раз. По данным ДиМаттео, в глобальном масштабе около 60% всей образующейся при сжигании топлив или в результате работы электростанций энергии теряется, в основном в виде тепла.

Когда в 2002 году началась работа над теорией Хагельштейна, учёный понимал, что устройство на её основе не может быть построено. Но с тех пор технологии ушли вперёд, приближая замысел к реальности. Понадобится ещё несколько лет, прежде чем сформируется "пул" технологий, необходимых для создания пригодных к коммерциализации устройств с квантовыми точками, но нет причин, почему эффективность преобразователей или их мощность не могут быть увеличены ещё на порядок. Если Хагельштейну удастся добиться своего, то излучаемое в окружающее пространство через радиаторы тепло станет, по его словам, золотым дном. Высокоэффективные микропроцессоры, автомобили и самолёты – изменится вся современная техника.