Термоэлектричество

Термоэлектричество преобразует разность температур непосредственно в электрическое напряжение — без турбины, без поршня, без единой подвижной детали. Тем самым это старейший и лучше всего подтверждённый метод в том семействе способов, к которому принадлежит и нейтриновольтаика: электричество из того, что и так есть.

Эффект Зеебека

Основной процесс открыл Томас Иоганн Зеебек в 1821 году. Если соединить два разных проводника в цепь и удерживать оба места соединения при различной температуре, то течёт ток.

Причина наглядна: на тёплой стороне носители заряда обладают большей энергией движения и перемещаются к холодной стороне. Там они скапливаются, и возникает напряжение. Насколько велико оно окажется, описывает коэффициент Зеебека материала, измеряемый в микровольтах на кельвин.

Обратный путь работает точно так же: если пропустить через материал ток, одна сторона станет холодной. Это эффект Пельтье, которым пользуется каждый небольшой переносной холодильник.

Показатель качества ZT

Насколько материал годится для термоэлектричества, обобщает единственное безразмерное число:

ZT = S²σT / κ

В нём S обозначает коэффициент Зеебека, σ — электропроводность, κ — теплопроводность, а T — температуру.

По этой формуле видна коренная проблема этой области. Нужен материал, который хорошо проводит ток, но плохо — тепло, а в большинстве веществ обе проводимости идут рука об руку, потому что за то и другое отвечают одни и те же электроны. Эта область уже десятилетиями ищет материалы, которые разрывают такую связь.

Теллурид висмута, классика для комнатной температуры, достигает ZT около 1. Это соответствует КПД примерно от 5 до 8 процентов. Лабораторные значения выше 2 были достигнуты, но редко оказывались устойчивыми и редко — дешёвыми.

Где оно применяется

Несмотря на скромный КПД, термоэлектричество непревзойдённо там, где надёжность важнее всего:

Космонавтика. Радионуклидные батареи зондов Voyager работают с 1977 года — плутоний-238 даёт тепло, термопары делают из него электричество. Марсоходы Curiosity и Perseverance используют ту же конструкцию и получают примерно из 2 000 ватт тепла около 110 ватт электрической мощности.

Сбросовое тепло. Промышленные печи, двигатели и выпускные системы отдают тепло, которое иначе пропадает.

Малые датчики. Там, где разности температур в ладонь достаточно, чтобы питать радиомодуль, батарея больше не нужна.

Отграничение от нейтриновольтаики

Термоэлектричеству непременно нужен градиент. Без тёплой и холодной стороны ток не течёт — деталь, имеющая всюду одну и ту же температуру, не даёт ничего, как бы горяча она ни была. Это не техническая недоработка, а второй закон термодинамики.

Нейтриновольтаика называет тепловые флуктуации одним из нескольких входных каналов, но делает ставку не на макроскопический градиент, а на процессы в самой решётке. Связь с исследованиями лежит здесь в работах Пола Тибадо по выпрямлению тепловых движений в свободно подвешенном графене — эффекте храповика.

Тем самым термоэлектричество — лучшее подтверждение того, что основная мысль состоятельна: прямое преобразование без подвижных частей работает, известно уже два столетия и полвека летит через Солнечную систему. Вопрос не в том, можно ли так получать энергию, а в том, из какого источника и в каком объёме.

Родственные понятия

• Сбор энергии — область в целом
• Эффект храповика — выпрямление теплового движения
• Бетавольтаика — электричество из бета-распада
• Термофотовольтаика — тепло в обход через свет

Источники

• T. J. Seebeck: Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperaturdifferenz, Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, 1822/23.
• NASA: Radioisotope Power Systems — технические описания MMRTG и Voyager-RTG.