В течение последних 60 лет ученые исследовали материалы с точки зрения их термоэлектрического потенциала, то есть эффективности превращения тепла в электроэнергию, но пока большинство из них не годятся для практического использования. Однако, специалисты МТИ нашли способ повысить этот показатель и описали его в научном журнале Science Advances. Материал, который они смоделировали, в 5 раз эффективнее и может, в потенциале, выработать в два раза больше энергии, чем лучшие из нынешних термоэлектриков.
Способность материала вырабатывать тепло основана на поведении его электронов в присутствии разницы температур. Когда одна сторона нагрета, она побуждает электроны переходить с горячей стороны на холодную. Так создается напряжение. У большинства материалов термоэлектрический потенциал невысок, отчасти оттого, что электроны сложно возбудить теплом.
Однако, обратившись к топологическим полуметаллам, ученые обнаружили, что при определенных условиях, под воздействием сильного магнитного поля, траектория электронов меняется.
«В конечном счете мы выяснили, что под воздействием сильного магнитного поля происходят странные вещи, когда электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, — говорит Брайан Скиннер, ведущий автор статьи. — Электроны идут на холодную сторону, а дырки — на горячую. Они действуют сообща и, в принципе, можно получить больше и больше напряжения из того же материала, усиливая магнитное поле».
Проведя теоретическое моделирование, ученые рассчитали термоэлектрический показатель селенида свинца-олова, который указывает на то, насколько материал близок к теоретическому пределу получения энергии из тепла. Наиболее эффективный материал сейчас имеет показатель около 2. Скиннер и его коллеги смогли добиться 10 при силе магнитного поля в 35 тесла.
Такой материал, если его нагреть при комнатной температуре до 500 кельвинов или 226 градусов С, сможет превратить 18% тепла в электричество. Это более чем вдвое лучше, чем то, на что способны лучшие современные аналоги, пишет MIT News.
Еще один новый материал, на этот раз изобретенный специалистами Университета Миссури, позволит диодам и усилителям работать в сто раз дольше, нагреваясь при этом меньше. Для этого полупроводники нужно заменить магнитной системой.
