Исследователи из Университета Западной Вирджинии разработали материал, способный значительно сократить количество выбросов тепловых электростанций в атмосферу.

Группа под руководством Сюэяна Сонга, профессора и заведующего кафедрой инженерии Джорджа Б. Берри в Колледже инженерии и минеральных ресурсов им. Бенджамина М. Статлера, создала оксидный керамический материал, который решает давнюю проблему эффективности, с которой сталкиваются термоэлектрические генераторы. Эти устройства могут генерировать электроэнергию из тепла, включая выбросы тепла электростанций, которые способствуют глобальному потеплению.

Прорывная оксидная керамика, которую произвела команда Сун, «достигла рекордно высоких характеристик, которые считались невозможными», — сказала она. «Мы продемонстрировали лучшую термоэлектрическую оксидную керамику, о которой сообщалось во всем мире за последние 20 лет, и результаты открывают новые направления исследований, которые могут еще больше повысить производительность».

Исследователи Сезар Октавио Ромо де ла Крус, Юн Чен, Лян Лян и Серхио А. Паредес Навиа внесли свой вклад в исследование. Результаты опубликованы в Renewable and Sustainable Energy Reviews.

Оксидная керамика относится к тому же семейству материалов, что и керамика, фарфор, глиняный кирпич, цемент и кремний, но содержит различные металлические элементы. Они твердые, устойчивы к нагреву и коррозии и хорошо подходят для применения при высоких температурах на воздухе. Они могут служить материалом для деталей термоэлектрических генераторов.

Однако оксидная керамика имеет «поликристаллическую» структуру, состоящую из нескольких соединенных кристаллов. Инженеры сталкиваются с проблемами при крупномасштабном термоэлектрическом применении этих материалов, поскольку «границы зерен», места, где встречаются эти кристаллы, блокируют ток и поток электронов, которые питают термоэлектрические генераторы.

Команда Сонга превратила этот камень преткновения в ступеньку.

«Мы намеренно добавили «примеси» или ионы металлов в поликристаллическую керамику, заставляя специальные виды примесей сегрегировать на границах зерен», — сказал исследователь Ромо де ла Круз. «Вот как мы превратили неизбежные и вредные границы зерен в проводящие электричество пути, значительно улучшив термоэлектрические характеристики».

Исследование является ответом на растущую проблему отработанного тепла, способствующего изменению климата и являющегося побочным продуктом большинства операций по преобразованию топлива в энергию. Когда лампочки становятся горячими на ощупь, они выделяют отработанное тепло: неэффективную дополнительную энергию, которая не способствует их основной работе по производству света. Отработанное тепло выбрасывается в атмосферу такими разнообразными системами, как электростанции, системы отопления домов и автомобили, и его выбрасывается достаточно, чтобы к 2026 году мировой рынок систем, которые восстанавливают его, превысил 70 миллиардов долларов.

«Тепло используется для производства почти всего, от продуктов питания до металлов и электричества», — объяснил Ромо де ла Крус. «Но во время этих процессов около 60% производимой энергии непродуктивно выбрасывается в окружающую среду в виде тепла. Утилизация отработанного тепла будет играть все более важную роль в уравновешивании растущего спроса на электроэнергию и углеродного следа промышленных процессов». Термоэлектрический оксид Керамика, подобная нашей, вступает в игру, существенно улучшая способность термоэлектрических генераторов преобразовывать отработанное тепло в электричество».

Термоэлектрические генераторы являются перспективной технологией утилизации отходящего тепла отчасти потому, что они просты в эксплуатации и обслуживании. Мощный термоэлектрический генератор мог бы улавливать значительную часть отработанного тепла электростанции.

Но «для большинства применений термоэлектрическая технология слишком неэффективна, чтобы быть экономичной», — сказал Сонг. «Недостаточная эффективность термоэлектричества в преобразовании энергии серьезно препятствует развитию термоэлектрических устройств, даже если они крайне необходимы».

Ее лаборатория решила эту проблему, используя наноструктурную инженерию — манипулируя кристаллической структурой керамики в атомарном масштабе, который можно увидеть только с помощью электронного микроскопа, — чтобы создать плотный текстурированный поликристаллический материал, который превзошел стандартные монокристаллические материалы.

Хотя настройка характеристик различных материалов для термоэлектрики стимулировала интенсивную теоретическую и экспериментальную работу в течение десятилетий, Сонг считает, что для объемной оксидной керамики ее лаборатория является первой, которая продемонстрировала значительное увеличение эффективности генерации энергии из тепла через нано- и инженерия границ зерен между кристаллами в атомном масштабе.

«Эта работа находится на пороге крупномасштабной утилизации высокотемпературного отходящего тепла», — сказала она. «Это ведет к новой эре для оксидной керамики и согласуется с инициативой Министерства энергетики США по промышленному тепловому удару по разработке экономически конкурентоспособных технологий промышленного обезуглероживания тепла с сокращением выбросов парниковых газов не менее чем на 85% к 2035 году. Наши результаты могли бы облегчить и ускорить разработку материалов, которые на порядок превосходят современное состояние техники».