Электричество легко превратить в тепло — это умеет любая электроплитка. А вот наоборот — можно ли тепло напрямую преобразовать в электричество, без паровых турбин и прочих сложных механизмов? Физик Томас Зеебек еще 200 лет назад ответил: да. Он обнаружил, что некоторые материалы, названные термоэлектриками, вырабатывают ток, если одну их сторону нагревать, а другую охлаждать. Разница температур создает электричество — без генераторов и движущихся частей. Это явление теперь называют эффектом Зеебека.

Термоэлектрические генераторы отлично подходят там, где нужно немного энергии. Например, их используют в космических миссиях. Но увы, известные сегодня материалы слишком неэффективны, чтобы заменить обычные электростанции. Группа профессора Андрея Пустогова из Венского технического университета ищет новые решения — и недавно нашла способ резко улучшить свойства термоэлектриков.

Результаты опубликованы в издании Physical Review X.

Как это работает

Обычно в полупроводниках ток создают только отрицательные заряды. Если нагреть одну сторону, они начинают двигаться быстрее и скапливаются на холодном конце — возникает напряжение. В металлах же движутся и положительные, и отрицательные заряды, которые компенсируют друг друга, поэтому металлы считались бесперспективными для термоэлектричества.

Но команда Пустогова придумала хитрость: если искусственно замедлить положительные заряды, оставив отрицательные свободными, металл начинает работать как термоэлектрик. Это как если бы на шоссе одну полосу перекрыли пробкой, а вторая осталась пустой.

Сначала ученые добились этого в сплаве никеля с золотом, но материал оказался дорогим. Теперь они нашли замену — соединение никеля и индия, а еще открыли необычные металлы с «японской» структурой кагоме, где атомы расположены, как в плетеных бамбуковых корзинах.

Почему это важно

• Такие материалы могут быть дешевле и эффективнее классических термоэлектриков на основе висмута.
• Они работают при комнатной температуре, что открывает путь к бытовому применению.

С металлами кагоме мы попали в точку — их КПД уже близок к коммерческим образцам, а потенциал еще выше, — говорит Пустогов.

Если удастся создать дешевые и эффективные термоэлектрики, это изменит энергетику:

• Отходы в энергию — можно будет превращать в электричество тепло от промышленных процессов, двигателей машин или даже человеческого тела.
• Автономные устройства — датчики, медицинские импланты или часы смогут работать без батареек, используя перепады температур.
• Космос и удаленные места — где нет возможности обслуживать технику, такие генераторы станут идеальным решением.

Главный вопрос — масштабируемость. Пока эксперименты проводятся в лаборатории, а реальные условия (например, долговременная стабильность материалов или их реакция на влагу) не проверены. Кроме того, даже улучшенные термоэлектрики вряд ли заменят ГЭС или АЭС — их удельная мощность слишком мала.

Ранее российские ученые разработали термоэлектрик для зеленой энергетики.