Около 70 % используемой во всём мире энергии «уходит в свисток» — выбрасывается в окружающее нас пространство в виде отработанного тепла. Учёные видят в этом скрытый потенциал для получения дармовой электрической энергии. Останавливает только то, что необходимых для этого материалов и технологий всё ещё нет. Но работа ведётся. Свет в тоннеле ещё не виден, но направление движения известно, а открытия обнадёживают.
Разница температур в вейлевских полуметаллах под воздействием внешнего магнитного поля вырабатывает электричество. Источник изображения: MIT
Группа учёных из Массачусетского технологического института (MIT) провела исследование так называемых топологических полуметаллов Вейля. В ходе экспериментов выяснилось, что в изучаемом материале под действием наведённого электромагнитного поля проявился квантовый эффект. В частности, квазичастицы под названием фермионы Вейля оказались способны эффективно превращать тепло в электричество.
На страницах нашего сайта множество раз упоминались элементы и эффект Пельтье, когда с помощью электричества производится перенос энергии — управляемый нагрев или охлаждение. Обратный процесс называется эффект Зеебека, который проявляется в том, что разница температур на контактах вызывает течение тока. Широко использовать эффект Зеебека невозможно по той причине, что все исследованные материалы обладают крайне низким термоэлектрическим эффектом и хоть как-то полезны при нагреве до очень высоких температур.
Обнаруженные относительно недавно топологические полуметаллы Вейля обещают проявить значительный термоэлектрический эффект при комнатной температуре и даже ниже. Представьте, например, генератор электричества от тепла процессора смартфона, который питает сам себя пока работает, или существенно экономит при этом заряд батареи. Всё это и многое другое может быть возможно, если получится найти подходящие соединения.
Исследователи из MIT провели эксперимент с найденным в 2015 году соединением фосфида тантала (TaP). Изготовленный в лаборатории образец кристалла обрезали до тонкой полоски и нагрели с одной стороны. При этом на кристалл навели магнитное поле силой 9 тесла. Полученный коэффициент мощности оказался в десять раз больше, чем для всех известных материалов. Правда, для этого другой конец кристалла пришлось охладить до температуры 40 K (-233 °C), что не позволило зафиксировать рекорд полученного термоэлектрического эффекта.
Учёные рассчитывают найти материалы, которые показывали бы сильнейший термоэлектрический эффект при комнатной температуре. Поставленный опыт доказал возможность продвинуться в этом направлении, и когда-нибудь это будет сделано.