Термоэлектрогенерация на поперечном эффекте давно привлекала внимание исследователей своими перспективами для эффективного преобразования тепловой энергии в электрическую без движущихся частей и с минимальными потерями. Длительное время главной преградой на пути развития этой технологии оставалась сравнительно низкая эффективность и ограниченные возможности классических материалов. Однако недавно ученые сделали значительный прорыв, разработав уникальный композитный магнит, который демонстрирует рекордно высокие показатели поперечной термоэлектрической генерации. Этот материал не только сочетает в себе функции постоянного магнита, но и способен эффективно преобразовывать температурные градиенты в электрическую энергию, что кардинально расширяет области применения таких систем в промышленности и быту. Ключевой инновацией стало создание многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев магнитного материала SmCo5 и полупроводникового термоэлектрического материала Bi0.
2Sb1.8Te3. Такое сочетание позволило оптимизировать анизотропию структуры и значительно снизить межфазные электрические и тепловые сопротивления, что критично для повышения показателя термоэлектрической эффективности. Важным аспектом является не только выбор материалов, но и их расположение — слои уложены под углом, создавая своеобразную ориентацию, которая способствует максимальному использованию поперечного эффекта. Эффективность работы данного композитного магнита отражается в его термоэлектрическом качестве, выраженном величиной zxyT, которая составляет 0,20 при комнатной температуре.
Эта цифра превосходит показатели, свойственные многим традиционным магнитам и термоэлектрическим материалам, делая его настоящим рекордсменом среди устройств поперечного действия. Благодаря этим характеристикам при разнице температур порядка 152 Кельвинов на термопильном модуле, созданном на основе данного магнитного композита, удалось получить мощность до 204 милливатт, что значительно превышает существующие аналоги по удельной мощности, рассчитанной на поверхность теплообмена и температурный перепад. Значимость этой разработки заключается не только в повышении производительности, но и в сохранении функций постоянного магнита, что открывает новые горизонты в области энергосбережения и управления теплом. Такие многофункциональные композитные магниты можно интегрировать в устройства, где постоянные магниты уже используются, тем самым превращая их в генерирующие теплоэлектричество элементы без необходимости внесения значительных конструктивных изменений. Кроме того, данное решение эффективно решает вопрос масштабируемости и практического внедрения.
Модульная природа композита и его способность работать при относительно высоких температурных перепадах делают его привлекательным для промышленного использования — от управления тепловыми потоками в электронике и машиностроении до энергоэффективных систем отопления и охлаждения. Возрастающее внимание к возобновляемым источникам энергии и переработке отходов тепла делает эту технологию особенно актуальной, так как она позволяет использовать рассеянное тепло, ранее теряемое в атмосфере и окружающей среде. Использование редкоземельного соединения SmCo5 является дополнительным фактором стабильности и долговечности материала. Известный своей высокой коэрцитивной силой, SmCo5 обеспечивает необходимые магнитные свойства, в то время как Bi0.2Sb1.
8Te3 служит эффективным термоэлектрическим слоем с хорошей проводимостью и способностью генерировать напряжение при температурном градиенте. Инновационный способ совместного использования этих материалов позволяет избежать расслоения и значительных потерь на границе раздела, что было проблемой для предыдущих версий композитов. Технология открывает беспрецедентные перспективы для интеграции термоэлектрогенерации в повседневные устройства. Например, в электротранспорте можно эффективно использовать тепло от тормозных систем и двигателей для подзарядки аккумуляторов или питания вспомогательных систем. В промышленности — эффективнее утилизировать тепло, выделяемое производственным оборудованием, повышая общую энергоэффективность предприятия.
В бытовой технике — создавать более эффективные системы охлаждения и нагрева с частичным самопитанием. Особое внимание стоит уделить экологической составляющей. Композитные магниты, способные одновременно выполнять функции постоянных магнитов и термоэлектрогенераторов, способствуют снижению зависимости от традиционных источников энергии и сокращению выбросов парниковых газов благодаря более рациональному использованию тепловых ресурсов. Это становится важным направлением в тренде устойчивого развития и зеленой энергетики. Отдельно стоит отметить, что благодаря своей мультифункциональности, теперь можно пересмотреть процессы проектирования энергоустановок и систем управления теплом, сделать их компактнее, эффективнее и экологичнее.
Помимо высокотехнологичных отраслей, такие решения смогут найти применение в бытовых системах, где энергопотребление должно быть минимальным, а автономность максимальной. В заключение, разработка композитного магнита со сверхвысоким показателем поперечного термоэлектрического превращения представляет собой фундаментальный шаг в области материаловедения и энергетики. Этот подход сочетает в себе уникальную структуру и свойства материалов, выводя термоэлектрогенерацию на новый уровень эффективности и практической применимости. Открываются широкие возможности для использования новых технологий в энергетическом секторе, промышленности и повседневной жизни, что делает данный прорыв значимым вкладом в развитие устойчивых и умных энергетических систем будущего.
