Электрическая энергия тепла

Наука и технологии
«Эксперт» №11 (890) 10 марта 2014

Ученые из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS), работающие под руководством известного физика Федерико Капассо, рассчитали возможность создания устройств, которые могли бы превращать энергию средневолнового инфракрасного излучения, или, проще говоря, тепловую энергию, в электричество. Основные ее идеи изложены в статье «Получение возобновляемой энергии из земного инфракрасного излучения», опубликованной на днях в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

По утверждению авторов, электроэнергию можно получить при передаче инфракрасного теплового излучения от теплого объекта к более холодному, что применимо, в частности, к тепловому излучению нашей планеты, транслируемому в космос. Очевидно, что речь идет о сотнях тысяч гигаватт мощности (для сравнения: установленная мощность всех электростанций в мире — около 6 тыс. ГВт), которую теоретически можно было бы получить, будь для этого созданы эффективные преобразователи. Проблема в том, как это сделать. Тема использования тепла для получения электроэнергии не нова, говорит старший научный сотрудник лаборатории «Инфракрасная оптоэлектроника» Санкт-Петербургского физико-технического института Максим Ременный. Сначала речь шла о так называемых термоэлектрических эффектах. Они начали использоваться для систем ПВО в Германии еще во время Второй мировой войны. На этом эффекте, основанном на способности материалов эмитировать электроны при нагревании, позже были построены головки наведения ракет, многие другие приборы военного и мирного назначения. В конце 1960-х появился первый термофотовольтаический преобразователь (ТФП), конвертирующий тепловое излучение нагретых тел в электрическую энергию уже не только для задач регистрации. Однако вплоть до конца прошлого века такие системы считались бесперспективными и не разрабатывались, а сейчас во многих странах исследования возобновились благодаря достижениям современного материаловедения и полупроводникового приборостроения.

В частности, разработчики из Гарварда считают возможным создать для этих целей харвестеры (в переводе с английского — уборочные машины) двух типов: работающие как термоэлектрогенератор и оптоэлектронные. Кажется парадоксальной сама идея получать электроэнергию не за счет поглощения волн, как это происходит в солнечных батареях, а, наоборот, благодаря их излучению. Но в первом харвестере так и происходит. Прибор состоит из двух пластин, одна из которых комнатной температуры, другая, выполненная из высокоэмиссионного материала и направленная вверх, — несколько холоднее первой за счет более интенсивной эмиссии теплого излучения в окружающее пространство. Опытным путем ученые определили, что благодаря небольшой разнице температур уже сейчас можно получить пару-тройку ватт на квадратный метр площади пластин. Принцип работы оптоэлектронного харвестера сложнее. В нем применяются и особенности функционирования электрической сети с диодом Ганна, и способная эффективно излучать ИК-лучи микроскопическая антенна, которая ра