طور موظفو مركز كفاءة الطاقة "MISiS" طريقة اقتصادية وسريعة لإنتاج المواد التي تصنع منها مولدات كهروحرارية عالية الأداء للمركبات الفضائية. مثل هذه المادة قادرة على تحويل الطاقة الحرارية مباشرة إلى طاقة كهربائية. تم نشر مقالة بنتائج العمل في
مجلة كيمياء المواد أ.
رئيس مركز كفاءة الطاقة "MISiS" ، دكتور في الفلسفة ، الأستاذ فلاديمير فاسيليفيتش هوفايلو.تم اكتشاف تأثير تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية في عام 1821 من قبل الفيزيائي الألماني توماس سيبيك. ومع ذلك ، فإن التقنيات التي تسمح باستخدام تأثير سيبيك على نطاق صناعي لا تزال بعيدة عن الكمال - تتعلم الإنسانية فقط إنشاء مواد حرارية ، ولم تغادر معظم التطورات المختبر بعد. ومع ذلك ، المواد الحرارية
تستخدم بنشاط في وحدات الطاقة والتبريد. يتم تثبيت المولدات الكهروحرارية التي تعمل بقوة حرارة الاضمحلال الإشعاعي على مركبة فضائية مشهورة عالميًا مثل كاسيني ، التي تدرس المناطق المحيطة بزحل ، ونيو هورايزون ، والتي تستكشف بلوتو وحزام كويبر. على نفس المبدأ ، يعمل المولد الكهربائي للمركبة Curiosity. هناك أمثلة أكثر دنيوية: على سبيل المثال ، تلقي الكهرباء من الحرارة المنقولة من خلال عناصر نظام العادم في السيارة. كما أن تطوير المولدات الكهروحرارية القادرة على زيادة كفاءة أنواع مختلفة من محطات الطاقة مستمر أيضًا.
صورة مجهرية من بلورات CoSb3 مع شوائب الإنديوم (مقياس - 10 ميكرومتر)ستقوم المواد التي ابتكرها علماء NIS “MISiS” بتجديد خط التطورات الجامعية للفضاء.
من جانبها قالت
رئيسة جامعة NUST “MISiS” Alevtina Chernikova “نتعاون بنشاط مع ممثلي صناعة الطيران والفضاء ” . -
في الوقت الحالي ، يجري العلماء في جامعتنا حوالي ثلاثين مشروعًا بحثيًا بتكليف من صناعة الطيران. بما في ذلك مع شركة الطائرات المتحدة ، التي تهتم بإدخال عدد من التطورات الجامعية لحل المهام الاستراتيجية للشركة ".تجمع المواد الكهروحرارية التي تم الحصول عليها في MISiS NITU بين "نوعين" من الذرات: مثبتة بشكل صارم في عقد الشبكة البلورية ، والتي توفر موصلية كهربائية عالية ، وتهتز بحرية ، مما يقلل بشكل حاد من التوصيل الحراري ، لأن الذرات مرتبطة بشكل ضعيف بالإطار البلوري تبدد الحرارة بشكل فعال. تم تحقيق هذا المزيج عن طريق إنشاء مركبات معدنية ذات تركيب بلوري يحتوي على فراغات. يملؤها العلماء ذرات "الضيف" دون كسر الشبكة البلورية ، ويحصل العلماء على التركيبة اللازمة من الخصائص. كلما ارتفعت الموصلية الكهربائية للمادة الناتجة وانخفاض الموصلية الحرارية ، زادت المعلمة الرئيسية للمواد الحرارية الحرارية - الرقم الحراري للكهرباء.
واحدة من أكثر هذه المواد الواعدة كانت scutterudite - مركب الكوبالت والأنتيمون المعدني - CoSb3. يحدث عامل الجودة الأقصى في هذه المادة مع اختلاف درجة حرارة السطح من 400-500 درجة. للمقارنة ، في أشهر المواد الحرارية الكهربائية - تيلورايد البزموت ، يحدث الحد الأقصى عند فرق درجة حرارة 100-150 درجة ويصل إلى قيمة ZT = 1.2.
صورة مجهرية من بلورات CoSb3 مع شوائب الإنديوم (مقياس - 5 ميكرومتر)من أجل تحقيق عامل جودة عالية في حالة نظام الأنتيمون - الكوبالت (ZT = 1.4) ، من الضروري استخدام عناصر الأرض النادرة ، على سبيل المثال ، الإيتيربيوم ، كمعدن أو الجمع بين معادن باهظة الثمن في وقت واحد. وتم الحصول على معامل الجودة 1.8 فقط عن طريق إدخال ذرات ثلاث معادن مختلفة في الشبكة البلورية.
يقول
أندري فورونين ، عضو المجموعة العلمية ،
موظف في مركز كفاءة الطاقة في NUST MISiS: "تمكنا من حل المشكلة باستخدام الإنديوم كحشو واختيار النسبة الأولية للمعادن ، مما سمح لنا بتجميع التركيبة الحرارية الكهربائية المطلوبة في مفاعل مفتوح ". "
بفضل هذا النهج ، تمكنا من إجراء التوليف في مفاعل مفتوح في دقيقتين فقط ، يليه تلدين العينة الناتجة لمدة 5 ساعات." أدى الجمع بين المواد المستخدمة وميزات عملية التوليف إلى تسريع عملية الإنشاء عدة مرات ، مما يؤثر أيضًا على تكلفة الحصول على هذه المواد. علاوة على ذلك ، أصبحت القيم التي تم الحصول عليها للرقم الكهروحراري للجدارة ZT = 1.5 تحطيم الرقم القياسي ل skutterudites مع نوع واحد من ذرات "الضيف" .
أندريه فورونين ، موظف في مركز كفاءة الطاقة ، الجامعة الوطنية للعلوم والتكنولوجيا "MISiS" على خلفية تلبيد شرر كهربائيكما يقول مؤلفو العمل الجديد ، كانت الخطط المقترحة سابقًا لإنتاج مواد حرارية باهظة الثمن ليس فقط بسبب المعادن المستخدمة. تضمنت توليفة لمدة أسبوعين من خليط التفاعل في أمبولات فراغ. من الصعب جدًا الحصول على مثل هذه المواد بطرق أخرى نظرًا لأن الأنتيمون معدن متقلب. وأثناء الذوبان لفترات طويلة ، يمكن أن يؤدي تبخر الأنتيمون إلى تكوين منتج ثانوي غير مرغوب فيه ، وهو طور CoSb2 ، والذي يتميز بخصائص غير مجدية تمامًا من وجهة نظر الكهرباء الحرارية.