Mitarbeiter des Zentrums für Energieeffizienz NUST „MISiS“ haben eine kostengünstige und schnelle Methode entwickelt, um das Material herzustellen, aus dem thermoelektrische Hochleistungsgeneratoren für Raumfahrzeuge hergestellt werden. Ein solches Material kann Wärmeenergie direkt in elektrische Energie umwandeln. Ein Artikel mit den Ergebnissen der Arbeit wurde im
Journal of Materials Chemistry A veröffentlicht.
Leiter des Zentrums für Energieeffizienz NUST „MISiS“, Doktor der Philosophie, Professor Vladimir Vasilievich Hovaylo.Der Effekt der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie wurde bereits 1821 vom deutschen Physiker Thomas Seebeck entdeckt. Die Technologien, mit denen der Seebeck-Effekt im industriellen Maßstab eingesetzt werden kann, sind jedoch noch lange nicht perfekt - die Menschheit lernt nur, thermoelektrische Materialien herzustellen, und die meisten Entwicklungen haben das Labor noch nicht verlassen. Allerdings thermoelektrische Materialien
aktiv in Energie, Kühlaggregaten eingesetzt. Thermoelektrische Generatoren, die von der Hitze des radioaktiven Zerfalls angetrieben werden, sind in weltberühmten Raumfahrzeugen wie Cassini installiert, die die Umgebung des Saturn untersuchen, und New Horizon, das Pluto und den Kuipergürtel erforscht. Nach dem gleichen Prinzip arbeitet der elektrische Generator des Curiosity Rovers. Es gibt profanere Beispiele: Zum Beispiel das Empfangen von Elektrizität aus Wärme, die durch die Elemente der Abgasanlage eines Autos übertragen wird. Die Entwicklung von thermoelektrischen Generatoren, mit denen der Wirkungsgrad verschiedener Kraftwerkstypen gesteigert werden kann, wird ebenfalls fortgesetzt.
Mikroskopische Aufnahme von CoSb3-Kristallen mit Indiumeinschlüssen (Skala - 10 Mikrometer)Das von den Wissenschaftlern von NUST „MISiS“ erstellte Material wird die Linie der universitären Entwicklungen für den Weltraum auffüllen.
"Wir arbeiten aktiv mit Vertretern der Luft- und Raumfahrtindustrie zusammen ", sagte
Alevtina Chernikova ,
Rektorin von NUST "MISiS" . -
Derzeit führen Wissenschaftler unserer Universität etwa 30 Forschungsprojekte durch, die von der Luft- und Raumfahrtindustrie in Auftrag gegeben wurden. Einschließlich der United Aircraft Corporation, die daran interessiert ist, eine Reihe von Universitätsentwicklungen einzuführen, um die strategischen Aufgaben des Unternehmens zu lösen. “Die bei NUST MISiS erhaltenen thermoelektrischen Materialien kombinieren zwei „Arten“ von Atomen: starr in den Knoten des Kristallgitters fixiert, was eine hohe elektrische Leitfähigkeit bietet, und frei schwingend, was die Wärmeleitfähigkeit stark verringert, da Atome, die schwach an den Kristallrahmen gebunden sind, Wärme effizient ableiten. Diese Kombination wurde erreicht, indem intermetallische Verbindungen erzeugt wurden, deren Kristallstruktur Hohlräume enthält. Wissenschaftler füllen sie mit "Gast" -Atomen, ohne das Kristallgitter zu brechen, und erhalten die notwendige Kombination von Eigenschaften. Je höher die elektrische Leitfähigkeit der resultierenden Substanz und je niedriger die Wärmeleitfähigkeit ist, desto höher ist der Schlüsselparameter der thermoelektrischen Materialien - die thermoelektrische Gütezahl.
Eines der vielversprechendsten Materialien dieser Art war die intermetallische Verbindung Scutterudit - Kobalt und Antimon - CoSb3. Maximaler Qualitätsfaktor tritt bei diesem Material mit einer Oberflächentemperaturdifferenz von 400-500 Grad auf. Zum Vergleich: Im bekanntesten thermoelektrischen Material - Wismuttellurid - tritt das Maximum bei einer Temperaturdifferenz von 100-150 Grad auf und erreicht einen Wert von ZT = 1,2.
Mikroskopische Aufnahme von CoSb3-Kristallen mit Indiumeinschlüssen (Skala - 5 Mikrometer)Um beim Antimon-Kobalt-System (ZT = 1,4) einen hohen Qualitätsfaktor zu erreichen, müssen Seltenerdelemente wie Ytterbium als Metall verwendet oder zwei teure Metalle gleichzeitig kombiniert werden. Der Qualitätsfaktor 1,8 wurde nur durch Einbringen von Atomen aus drei verschiedenen Metallen in das Kristallgitter erhalten.
„Wir haben es geschafft, das Problem zu lösen, indem wir Indium als Füllstoff verwendet und das Anfangsverhältnis der Metalle ausgewählt haben, wodurch wir die gewünschte thermoelektrische Zusammensetzung in einem offenen Reaktor synthetisieren konnten“, sagt
Andrey Voronin , Mitglied der wissenschaftlichen Gruppe,
Mitarbeiter des Energy Efficiency Center von NUST MISiS . „
Dank dieses Ansatzes konnten wir die Synthese in nur zwei Minuten in einem offenen Reaktor durchführen und anschließend die resultierende Probe 5 Stunden lang glühen.“ Die Kombination des verwendeten Materials und der Merkmale des Syntheseverfahrens beschleunigte den Herstellungsprozess um das Zehnfache, was sich auch auf die Kosten für die Gewinnung solcher Materialien auswirkt. Darüber hinaus wurden die erhaltenen Werte der thermoelektrischen Gütezahl ZT = 1,5 für Skutterudite mit einer Art von "Gast" -Atomen rekordverdächtig .
Andrei Voronin, Mitarbeiter des Zentrums für Energieeffizienz der Nationalen Universität für Wissenschaft und Technologie „MISiS“ vor dem Hintergrund der Installation des elektrischen Funken-SinternsWie die Autoren der neuen Arbeit sagen, waren zuvor vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung thermoelektrischer Materialien nicht nur wegen der verwendeten Metalle teuer. Sie umfassten eine zweiwöchige Synthese des Reaktionsgemisches in Vakuumampullen. Es ist sehr schwierig, ein solches Material auf andere Weise zu erhalten, da Antimon ein flüchtiges Metall ist. Und während eines längeren Schmelzens kann das Verdampfen von Antimon zur Bildung eines unerwünschten Nebenprodukts führen, der CoSb2-Phase, die unter dem Gesichtspunkt der Thermoelektrizität völlig unbrauchbare Eigenschaften aufweist.