Funcionários do Center for Energy Efficient NUST “MISiS” desenvolveram uma maneira econômica e rápida de produzir o material a partir do qual são gerados geradores termoelétricos de alto desempenho para espaçonaves. Esse material é capaz de converter diretamente energia térmica em energia elétrica. Um artigo com os resultados do trabalho foi publicado no
Journal of Materials Chemistry A.
Chefe do Centro de Eficiência Energética NUST “MISiS”, Doutor em Filosofia, Professor Vladimir Vasilievich Hovaylo.O efeito da conversão de energia térmica em energia elétrica foi descoberto em 1821 pelo físico alemão Thomas Seebeck. No entanto, as tecnologias que permitem que o efeito Seebeck seja usado em escala industrial ainda estão longe de serem perfeitas - a humanidade está apenas aprendendo a criar materiais termoelétricos e a maioria dos desenvolvimentos ainda não saiu do laboratório. No entanto, materiais termoelétricos
usado ativamente em energia, unidades de refrigeração. Os geradores termoelétricos alimentados pelo calor do decaimento radioativo são instalados em naves espaciais mundialmente famosas como Cassini, que estuda os arredores de Saturno, e New Horizon, que explora Plutão e o cinturão de Kuiper. No mesmo princípio, o gerador elétrico do rover Curiosity opera. Existem exemplos mais mundanos: por exemplo, receber eletricidade do calor transmitido através dos elementos do sistema de escape de um carro. O desenvolvimento de geradores termoelétricos capazes de aumentar a eficiência de vários tipos de usinas também está em andamento.
Micrografia de cristais CoSb3 com inclusões de índio (escala - 10 micrômetros)O material criado pelos cientistas do NUST “MISiS” irá repor a linha de desenvolvimentos da universidade para o espaço.
"Estamos cooperando ativamente com representantes da indústria da aviação e do espaço "
, disse o
Reitor da NUST "MISiS" Alevtina Chernikova . -
No momento, os cientistas de nossa universidade estão realizando cerca de trinta projetos de pesquisa encomendados pela indústria aeroespacial. Inclusive com a United Aircraft Corporation, que está interessada em introduzir uma série de desenvolvimentos universitários para resolver as tarefas estratégicas da corporação. ”Os materiais termoelétricos obtidos no MISiS NITU combinam dois "tipos" de átomos: rigidamente fixados nos nós da rede cristalina, que fornecem alta condutividade elétrica, e vibram livremente, o que reduz drasticamente a condutividade térmica, porque átomos fracamente ligados à estrutura de cristal dissipam efetivamente o calor. Essa combinação foi alcançada através da criação de compostos intermetálicos cuja estrutura cristalina contém vazios. Preenchendo-os com átomos "convidados" sem quebrar a estrutura cristalina, os cientistas obtêm a combinação necessária de propriedades. Quanto maior a condutividade elétrica da substância resultante e menor a condutividade térmica, maior o parâmetro-chave de materiais termoelétricos - figura termoelétrica de mérito.
Um dos materiais mais promissores foi o composto intermetálico scutterudite - cobalto e antimônio - CoSb3. O fator de qualidade máxima ocorre neste material com uma diferença de temperatura da superfície de 400 a 500 graus. Para comparação, no mais famoso material termoelétrico - telureto de bismuto, o máximo ocorre a uma diferença de temperatura de 100-150 graus e atinge um valor de ZT = 1,2.
Micrografia de cristais CoSb3 com inclusões de índio (escala - 5 micrômetros)Para obter um fator de alta qualidade no caso do sistema antimônio-cobalto (ZT = 1.4), é necessário usar elementos de terras raras, por exemplo, itérbio, como metal ou combinar dois metais caros ao mesmo tempo. E o fator de qualidade de 1,8 foi obtido apenas pela introdução de átomos de três metais diferentes na estrutura cristalina.
“Conseguimos resolver o problema usando o índio como carga e selecionando a proporção inicial de metais, o que nos permitiu sintetizar a composição termoelétrica desejada em um reator aberto ”, diz
Andrey Voronin , membro do grupo científico,
funcionário do Centro de Eficiência Energética da NUST MISiS . "
Graças a essa abordagem, fomos capazes de realizar a síntese em um reator aberto em apenas dois minutos, seguido de recozimento da amostra resultante por 5 horas". A combinação do material utilizado e as características do processo de síntese acelerou o processo de criação várias dezenas de vezes, o que também afeta o custo de obtenção desses materiais. Além disso, os valores obtidos da figura termoelétrica de mérito ZT = 1,5 tornaram-se recordes para skutterudites com um tipo de átomos “convidados” .
Andrei Voronin, funcionário do Centro de Eficiência Energética da Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia "MISiS" no contexto de uma sinterização de faísca elétricaComo dizem os autores do novo trabalho, os esquemas propostos anteriormente para a produção de materiais termoelétricos eram caros, não apenas por causa dos metais utilizados. Eles incluíram uma síntese de duas semanas da mistura de reação em ampolas de vácuo. É muito difícil obter esse material de outras maneiras, devido ao fato de o antimônio ser um metal volátil. E durante a fusão prolongada, a evaporação do antimônio pode levar à formação de um subproduto indesejável, a fase CoSb2, que possui características completamente inúteis do ponto de vista da termoeletricidade.