2 февраля 2022

Графеновые квантовые точки могут стать основой самого маленького генератора электроэнергии

Различные механизмы, электрические и электронные устройства вырабатывают достаточно большое количество тепла, которое достаточно тяжело использовать в полезных целях. И если бы на свете появились генераторы электроэнергии, способные работать на низкопотенциальной тепловой энергии, это решило бы не только упомянутую выше проблему, такая технология стала бы идеальным решением для снабжения энергией малопотребляющих устройств Интернета Вещей, портативных компьютеров, медицинских датчиков и многого другого.ъ

На свете существуют так называемые термоэлектрогенераторы, устройства, работающие за счет разницы температур между их частями и выполняющими прямое преобразование в электрическую энергию проходящего сквозь них потока тепла. Однако, эффективность таких преобразователей весьма низка и для их нормальной работы требуется достаточно большая разница температур. Основная загвоздка с термоэлектрогенераторами заключается в материале для их изготовления, который должен одновременно иметь высокую электрическую проводимость и низкую теплопроводность, что является взаимоисключающим понятием.

За несколько последних лет различные научные группы продемонстрировали, что эффективность термоэлектрического преобразования может быть значительно увеличена за счет использования различных квантовых эффектов. На основе некоторых видов квантовых точек уже были созданы образцы селективных энергетических фильтров и тепловых машин, эффективность которых максимально приблизилась к теоретическому пределу, установленному законами термодинамики. Однако, все эти опытные образцы демонстрировали свою максимальную эффективность при температурах, близких к температуре абсолютного нуля, что автоматически ставит крест на возможности их практического использования.

Однако, исследователи из швейцарского Научно-исследовательского института Empa, являющегося частью Швейцарского федерального технологического института (Swiss Federal Institute of Technology, ETH) придумали способ превращения в квантовые точки участков графеновых нанолент. Более того, согласно результатам предварительных расчетов, на базе таких графеновых квантовых точек можно будет создать тепловой двигатель, эффективно работающий даже при комнатной температуре.

В настоящее время швейцарские исследователи уже добились стабильной работы графеновых квантовых точек при температуре до -123 градуса Цельсия, что намного выше температуры работы квантовых точек, использованных для термоэлектрического преобразования ранее. И в своих дальнейших исследованиях ученые собираются объединить графеновые наноленты в единый тепловой двигатель и заставить работать его при комнатной температуре.

Для реализации такой масштабной затеи ученым потребуются новые методы и технологии, которые позволят манипулировать нанолентами, размеры которых исчисляются нанометрами. Разработка этих методов и технологий, плюс разработка необходимой сопутствующей измерительной техники ведется сейчас специалистами швейцарского Научно-исследовательского центра компании IBM.

Если все работы будут идти согласно намеченным планам, то крошечный тепловой двигатель на чипе, работающий при комнатной температуре, будет создан в течение следующих нескольких лет. Мало того, что такой двигатель будет способен эффективно превращать в электроэнергию низкопотенциальное тепло, его работа может быть легко инвертирована, превращая все это в высокоэффективный охладитель.