Марсоход НАСА 2020 Perseverance работает от чего-то очень желанного здесь, на Земле: термоэлектрического устройства, которое преобразует тепло в полезное электричество.

Источник тепла на Марсе — распад плутония с эффективностью преобразования примерно 4-5%. Этого вполне хватает для поддержки Perseverance и ее операций, но недостаточно для приложений на Земле.

Международная группа ученых теперь продемонстрировала эффективный термоэлектрический материал в практической форме, который может быть использован при создании многих устройств. Речь идет об очищенном селениде олова в поликристаллической форме. Дело в том, что такая его форма гораздо лучше показывает себя в преобразовании тепла в электричество. Этот материал может быть использован в производстве термоэлектрических устройств во многих сферах жизнедеятельности человека.

«Термоэлектрические устройства используются, но только в нишевых приложениях, например, в марсоходе», — сказал Меркури Канатзидис из Northwestern, химик, специализирующийся на разработке новых материалов. «Эти устройства не так популярны, как солнечные элементы, и создание хороших из них сопряжено со значительными проблемами. Мы сосредоточены на разработке материала, который был бы недорогим и обладающим высокими характеристиками, и продвигал бы термоэлектрические устройства к более широкому применению».

Канатзидис, профессор химии Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон в Колледже искусств и наук Вайнберга, является соавтором исследования. Другой соавтор статьи — Ин Чанг из Сеульского национального университета. Винаяк Дравид, профессор материаловедения и инженерии Абрахама Харриса инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета, является одним из старших авторов исследования. Дравид — давний соратник Канатзидиса.

По словам Канатзидиса, термоэлектрические устройства уже хорошо известны, но то, что заставляет их работать хорошо или нет, — это термоэлектрический материал внутри. Одна сторона устройства горячая, а другая холодная. В середине находится термоэлектрический материал. Тепло проходит через материал, и часть тепла преобразуется в электричество, которое покидает устройство по проводам.

Материал должен иметь чрезвычайно низкую теплопроводность, сохраняя при этом хорошую электропроводность, чтобы эффективно преобразовывать отходящее тепло. А поскольку температура источника тепла может достигать 400-500 градусов по Цельсию, материал должен быть устойчивым при очень высоких температурах. Эти и другие проблемы делают производство термоэлектрических устройств более сложным, чем солнечные элементы.

Происходило что-то дьявольское

В 2014 году Канатзидис и его команда сообщили об открытии удивительного материала, который был лучшим в мире для преобразования отработанного тепла в полезное электричество: кристаллической формы химического соединения селенида олова. Хотя это важное открытие, монокристаллическая форма непрактична для массового производства из-за ее хрупкости и склонности к расслоению.

Селенид олова в поликристаллической форме, который является более прочным и может быть разрезан и сформирован для применения, был необходим, поэтому исследователи обратились к изучению материала в этой форме. К неприятному удивлению они обнаружили, что теплопроводность материала была высокой, а не желательным низким уровнем, характерным для монокристаллической формы.

«Мы поняли, что происходит что-то дьявольское», — сказал Канацидис. «Ожидалось, что селенид олова в поликристаллической форме не будет иметь высокой теплопроводности, но это было так. У нас была проблема».

При ближайшем рассмотрении исследователи обнаружили на материале корку из окисленного олова. Тепло протекало через проводящую кожу, увеличивая теплопроводность, что нежелательно в термоэлектрическом устройстве.

Узнав, что окисление происходит как в самом процессе, так и в исходных материалах, корейская команда нашла способ удалить кислород. Затем исследователи смогли произвести гранулы селенида олова без кислорода, которые они затем протестировали.

Истинная теплопроводность поликристаллической формы была измерена и оказалась ниже, как первоначально ожидалось. Его характеристики как термоэлектрического устройства, преобразующего тепло в электричество, превзошли характеристики монокристалла, что сделало его наиболее эффективным за всю историю наблюдений.

Эффективность преобразования отработанного тепла в термоэлектриках отражается в его «добротности», которая называется ZT. Чем выше число, тем лучше коэффициент конверсии. Ранее было обнаружено, что ZT монокристаллического селенида олова составляет приблизительно от 2,2 до 2,6 при 913 Кельвинах. В этом новом исследовании исследователи обнаружили, что очищенный селенид олова в поликристаллической форме имеет ZT примерно 3,1 при 783 Кельвина. Его теплопроводность была сверхнизкой, ниже, чем у монокристаллов.

«Это открывает двери для новых устройств, которые будут построены из гранул поликристаллического селенида олова, и будет изучено их применение», — сказал Канатзидис.