В окружающей нас среде скрывается целое море «дармовой» энергии и ученые постоянно стараются найти новые способы преобразования этой энергии в электричество. Одним из потенциальных источников энергии являются суточные температурные колебания, и не так давно исследовательская группа из Массачусетского технологического института разработала устройство, называемое тепловым резонатором, которое с достаточно высокой эффективностью вырабатывает энергию практически «на пустом месте».
Все созданные ранее подобные устройства были основаны на термоэлектрическом принципе, используя тепловой градиент между двумя слоями материала. Тепло перемещается от более горячей стороны к более холодной, что вызывает движение носителей электрического заряда в специальном термоэлектрическом материале и приводит к возникновению электрического тока. Для эффективной работы таких технологий требуется значительная разница в температуре, разница, которая принципиально не может возникнуть в результате суточных колебаний температуры окружающей среды.
«В основе созданного нами устройства лежит другой эффект, называемый пироэлектрическим эффектом» — пишут исследователи, — «И этот эффект позволяет нам получать электричество за счет тепловых колебаний различной амплитуды и частоты, включая и медленные суточные колебания».
Активным элементом теплового резонатора является вспененный сплав меди и никеля, поры которого заполнены органическим соединением под названием октадекан, которое плавится и кристаллизуется при определенной температуре. Все это покрыто слоем графена, который является превосходным проводником тепла. В результате это устройство обладает очень высокой теплоемкостью и высоким показателем коэффициента теплопередачи, т.е. способностью эффективно поглощать и накапливать энергию из окружающей среды.
По существу тепло поглощается одной стороной устройства и медленно перемещается к другой стороне, аккумулируясь в изменяющем фазу материале, заполняющем это устройство. Так как одна сторона устройства всегда будет более холодна, чем другая, поток тепла будет постоянно двигаться в одну или другую сторону. И это движение потока тепла может быть преобразовано в электричество при помощи высокоэффективных термоэлектрических систем.
Исследователи испытывали опытный образец устройства на протяжении двух недель, среднее значение суточных температурных колебаний в это время составляло порядка 10 градусов Цельсия. Одна ячейка системы постоянно вырабатывала электрический ток, напряжением 350 милливольт и мощностью 1.3 милливатта, что существенно превосходит показатели ячеек на основе обычных пироэлектрических материалов сопоставимых размеров.
Количество вырабатываемой устройством энергии является достаточно скромным. Однако, и такого скромного количества уже достаточно для обеспечения работы малогабаритных датчиков и других малопотребляющих электронных устройств, которые будучи подключенными к таким генераторам избавятся от необходимости наличия аккумуляторных батарей. И так, как суточные тепловые колебания имеют более стабильный характер, то тепловые резонаторы смогут обеспечить более стабильный поток энергии, чем устройства, использующие энергию ветра или солнечных лучей.
Стабильность является ключевым моментом нового источника энергии, который сможет работать даже тогда, когда не смогут работать генераторы других типов. И наиболее целесообразным является объединение в единую систему разных типов генераторов, которые будут работать с максимальной эффективностью при различных условиях, постоянно поддерживая друг друга.
