NITU MISiS ha desarrollado un método económico para la síntesis rápida de materiales termoeléctricos altamente eficientes.

Los empleados del Centro de Eficiencia Energética NUST "MISiS" han desarrollado una forma económica y rápida de producir el material a partir del cual se hacen generadores termoeléctricos de alto rendimiento para naves espaciales. Tal material es capaz de convertir directamente la energía térmica en energía eléctrica. Un artículo con los resultados del trabajo fue publicado en el Journal of Materials Chemistry A.


Jefe del Centro de Eficiencia Energética NUST "MISiS", Doctor en Filosofía, Profesor Vladimir Vasilievich Hovaylo.

El efecto de convertir la energía térmica en energía eléctrica fue descubierto en 1821 por el físico alemán Thomas Seebeck. Sin embargo, las tecnologías que permiten el uso del efecto Seebeck a escala industrial aún están lejos de ser perfectas: la humanidad solo está aprendiendo a crear materiales termoeléctricos, y la mayoría de los desarrollos aún no han salido del laboratorio. Sin embargo, materiales termoeléctricos. utilizado activamente en energía, unidades de refrigeración. Los generadores termoeléctricos alimentados por el calor de la desintegración radiactiva se instalan en naves espaciales mundialmente famosas como Cassini, que estudia los alrededores de Saturno, y New Horizon, que explora Plutón y el cinturón de Kuiper. Con el mismo principio, funciona el generador eléctrico del rover Curiosity. Hay ejemplos más mundanos: por ejemplo, recibir electricidad del calor transmitido a través de los elementos del sistema de escape de un automóvil. El desarrollo de generadores termoeléctricos capaces de aumentar la eficiencia de varios tipos de plantas de energía también está en curso.


Micrografía de cristales de CoSb3 con inclusiones de indio (escala - 10 micrómetros)

El material creado por los científicos de NUST "MISiS" repondrá la línea de desarrollos universitarios para el espacio.

"Estamos cooperando activamente con representantes de la industria de la aviación y el espacio " , dijo el Rector de NUST "MISiS" Alevtina Chernikova . - En este momento, los científicos de nuestra universidad están llevando a cabo una treintena de proyectos de investigación encargados por la industria aeroespacial. Incluso con United Aircraft Corporation, que está interesada en presentar una serie de desarrollos universitarios para resolver las tareas estratégicas de la corporación ".

Los materiales termoeléctricos obtenidos en NUST MISiS combinan dos "tipos" de átomos: rígidamente fijados en los nodos de la red cristalina, que proporciona una alta conductividad eléctrica, y vibran libremente, lo que reduce drásticamente la conductividad térmica, porque los átomos débilmente unidos al marco de cristal disipan eficientemente el calor. Esta combinación se logró mediante la creación de compuestos intermetálicos cuya estructura cristalina contiene huecos. Al llenarlos con átomos "invitados" sin romper la red cristalina, los científicos obtienen la combinación necesaria de propiedades. Cuanto mayor sea la conductividad eléctrica de la sustancia resultante y menor sea la conductividad térmica, mayor será el parámetro clave de los materiales termoeléctricos: la figura termoeléctrica del mérito.

Uno de los materiales más prometedores fue la scutterudita - compuesto intermetálico de cobalto y antimonio - CoSb3. El factor de calidad máxima se produce en este material con una diferencia de temperatura superficial de 400-500 grados. A modo de comparación, en el material termoeléctrico más famoso, el telururo de bismuto, el máximo se produce a una diferencia de temperatura de 100-150 grados y alcanza un valor de ZT = 1.2.


Micrografía de cristales de CoSb3 con inclusiones de indio (escala - 5 micrómetros)

Para lograr un factor de alta calidad en el caso del sistema antimonio-cobalto (ZT = 1.4), es necesario utilizar elementos de tierras raras, por ejemplo, iterbio, como metal o combinar dos metales caros a la vez. Y el factor de calidad de 1.8 se obtuvo solo mediante la introducción de átomos de tres metales diferentes en la red cristalina.

"Logramos resolver el problema usando el indio como relleno y seleccionando la proporción inicial de metales, lo que nos permitió sintetizar la composición termoeléctrica deseada en un reactor abierto ", dice Andrey Voronin , miembro del grupo científico, empleado del Centro de Eficiencia Energética de NUST MISiS . " Gracias a este enfoque, pudimos llevar a cabo la síntesis en un reactor abierto en solo dos minutos, seguido de recocido de la muestra resultante durante 5 horas". La combinación del material utilizado y las características del proceso de síntesis aceleraron el proceso de creación varias decenas de veces, lo que también afecta el costo de obtener dichos materiales. Además, los valores obtenidos de la figura termoeléctrica de mérito ZT = 1.5 se convirtieron en un récord para skutteruditas con un tipo de átomos "invitados" .


Andrei Voronin, empleado del Centro para la Eficiencia Energética, Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología "MISiS" en el fondo de la instalación de sinterización de chispas eléctricas

Como dicen los autores del nuevo trabajo, los esquemas previamente propuestos para producir materiales termoeléctricos eran caros no solo por los metales utilizados. Incluyeron una síntesis de dos semanas de la mezcla de reacción en ampollas de vacío. Es muy difícil obtener dicho material de otras maneras debido al hecho de que el antimonio es un metal volátil. Y durante la fusión prolongada, la evaporación del antimonio puede conducir a la formación de un subproducto indeseable, la fase CoSb2, que tiene características completamente inútiles desde el punto de vista de la termoelectricidad.