Так называемые термоэлектрические явления, обусловленные взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в проводниках и позволяющие, в частности, преобразовывать тепло в электроэнергию, вызывают сегодня все больший интерес у инженеров самых разных специальностей, но прежде всего - у автомобилестроителей.

К термоэлектрическим явлениям относятся три физических эффекта, названные по именам ученых, их открывших, - Зеебека, Пельтье и Томсона. Наиболее широкое применение в технике нашел эффект Зеебека, состоящий в возникновении электродвижущей силы - термоэдс - в замкнутой цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных проводников тока, контакты между которыми имеют разные температуры. В частности, на этом эффекте основано действие так называемых термопар - термочувствительных элементов в устройствах для измерения температуры, системах управления и контроля.

И именно этот эффект и интересует сегодняшних автомобилестроителей - они рассчитывают использовать его для питания электропривода в гибридных конструкциях, а также бортовой сети обычных автомобилей.

Новые материалы - новые надежды

Дело в том, что величина термоэдс, возникающей при эффекте Зеебека, зависит не только от абсолютного значения температур "горячего" и "холодного" контактов и от разности этих температур, но и от природы самих контактирующих материалов. "Долгое время использование термоэлектрического эффекта в автомобиле особого успеха не сулило, - говорит профессор Эльмар Вагнер (Elmar Wagner), руководитель Института средств физических измерений имени Фраунгофера во Фрайбурге, - поскольку у природных материалов эффект выражен недостаточно сильно. И лишь в последние 10-15 лет мы поняли, что существует возможность искусственно синтезировать материалы с нужными нам свойствами, раздельно изменяя, в частности, и такие параметры, как тепло- и электропроводность. Это позволило настолько повысить эффективность термоэлектрических элементов, что теперь получение в автомобиле электроэнергии из тепловой представляется уже вполне перспективным".

Собственно, речь идет не столько даже о создании новых материалов, сколько о придании старым материалам новой микро-, а точнее, наноструктуры. Это могут быть слоистые материалы с толщиной слоя в несколько нанометров или спеченные порошковые материалы с диаметром зерна в несколько нанометров. Такая наноструктуризация может во много раз усилить эффект Зеебека даже в столь хорошо известных термопарах как, скажем, теллурид сурьмы и теллурид висмута. Это вселяет в инженеров новые надежды.

Но их нынешний интерес к термоэлектричеству имеет, по словам профессора Вагнера, и другие причины: "До сих пор энергия была относительно дешевой, и мало кто заботился о том, чтобы сэкономить процент-другой. Сегодня же, я полагаю, уже всем ясно, что проблема энергосбережения будет сопровождать нас всегда. Это и заставило инженеров заняться вторичными эффектами - в частности, обратиться к идее использования тепла выхлопных газов для получения электроэнергии".

Термоэлектричество завоевывает позиции

Термоэлектричество может перенять в автомобиле и такую важную функцию как питание многочисленных специальных сенсоров, поддерживающих между собой связь с помощью радиосигналов. "Это позволило бы создавать целые сети сенсоров, автономных в смысле энергоснабжения и не требующих проводного подключения, - говорит профессор Вагнер. - Источником энергии для них была бы окружающая среда. В автомобилестроении - да и в самолетостроении тоже - у таких сенсоров огромный потенциал, но лишь в том случае, если их не нужно соединять кабелями".

Важную роль пророчит термоэлектричеству и Герхард Бушман (Gerhard Buschmann), возглавляющий отдел разработки дизельных двигателей в берлинском Обществе инженеров автомобильного транспорта. По его мнению, термоэлектрические генераторы позволят с толком использовать значительную часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания и бессмысленно теряемой сегодня в виде тепла.

"Электроэнергию, необходимую любому современному автомобилю, а тем более - автомобилю с гибридным приводом, - говорит Бушман, - мы получаем сегодня крайне неэффективно: с помощью электромеханического генератора, КПД которого не слишком высок. Так что если нам удастся реализовать прямое получение электроэнергии из тепла, это будет замечательно!"

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман