Новый подход основан на открытии, объявленном в 2010 году Майклом Страно, Carbon P. Даббс, профессор химической инженерии Массачусетского технологического института и его сотрудники: Проволока, сделанная из крошечных углеродных цилиндров, известных как углеродные нанотрубки, может производить электрический ток, когда она постепенно нагревается от одного конца до другого, например, покрывая его горючий материал, а затем поджигает один конец, чтобы он горел, как плавкий предохранитель.
Это открытие представляет собой ранее неизвестное явление, но эксперименты в то время производили лишь незначительное количество тока в простой лабораторной установке.
Теперь Страно и его команда увеличили эффективность процесса более чем в тысячу раз и создали устройства, которые могут выдавать энергию, то есть фунт за фунтом, с той же точностью, что и то, что может быть произведено лучшими на сегодняшний день батареями. Однако исследователи предупреждают, что на превращение концепции в коммерциализируемый продукт может потребоваться несколько лет.
Новые результаты были опубликованы в журнале Energy & Environmental Science, в статье Страно, докторантов Саяли Махаджан PhD ’15 и Альберта Лю и пяти других.
Ловить волну
Страно говорит: «На самом деле замечательно, что это [явление] не изучалось ранее.«Большая часть работы его команды над проектом была сосредоточена не только на повышении эффективности процесса, но и на« разработке теории того, как эти вещи работают ».«И последние эксперименты, – говорит он, – показывают хорошее согласие между теорией и экспериментальными результатами, обеспечивая убедительное подтверждение лежащего в основе механизма.
По сути, эффект возникает, когда тепловой импульс проталкивает электроны через пучок углеродных нанотрубок, унося электроны с собой, как кучка серферов на волне.
Один из ключевых выводов, который помог проверить теорию, заключается в том, что иногда тепловая волна производит одно напряжение, но иногда она создает две разные области напряжения одновременно. «Наша математическая модель может описать, почему это происходит», – говорит Страно, в то время как альтернативные теории не могут объяснить это.
Согласно теории группы, волна термоЭДС «делится на два разных компонента», которые иногда усиливают друг друга, а иногда противостоят друг другу.
Повышение эффективности, по его словам, «превращает [технологию] из лабораторного любопытства в то, чтобы быть на расстоянии досягаемости от других портативных энергетических технологий», таких как литий-ионные батареи или топливные элементы.
В своей последней версии устройство более чем на 1% эффективно преобразовывает тепловую энергию в электрическую, сообщает команда, что «на порядки более эффективно, чем сообщалось ранее.«Фактически, энергоэффективность примерно в 10 000 раз выше, чем указано в первоначальном документе об открытии.
«Литий-ионным технологиям потребовалось 25 лет, чтобы достичь того уровня, который они есть» с точки зрения эффективности, отмечает Страно, в то время как на разработку этой технологии ушла лишь пятая часть этого времени.
А литий чрезвычайно легко воспламеняется, если материал когда-либо подвергается воздействию открытого воздуха – в отличие от топлива, используемого в новом устройстве, которое намного безопаснее, а также является возобновляемым ресурсом.
Ложка сахара
В то время как в первоначальных экспериментах использовались потенциально взрывоопасные материалы для генерации теплового импульса, который запускает реакцию, в новой работе используется гораздо более щадящее топливо: сахароза, также известная как обычный столовый сахар. Но команда считает, что другие горючие материалы могут обеспечить еще более высокую эффективность. По словам Страно, в отличие от других технологий, специфичных для конкретного химического состава, система питания на основе углеродных нанотрубок работает только на тепле, поэтому по мере разработки более совершенных источников тепла их можно просто заменить в систему для повышения ее производительности.
Устройство уже достаточно мощное, чтобы показать, что оно может питать простые электронные устройства, такие как светодиодный светильник. И в отличие от батарей, которые могут постепенно терять заряд при хранении в течение длительного времени, новая система должна иметь практически неограниченный срок хранения, говорит Лю. Это может сделать его пригодным для использования, например, для дальнего космического зонда, который остается бездействующим в течение многих лет, когда он путешествует на далекую планету, а затем ему требуется быстрый всплеск энергии для отправки данных обратно, когда он достигает места назначения.
Кроме того, новая система очень масштабируема для использования во все более и более миниатюрных носимых устройствах, которые появляются.
По словам Махаджана, у батарей и топливных элементов есть ограничения, из-за которых их сложно уменьшить до крошечных размеров, тогда как эта система «может масштабироваться до очень малых размеров. Масштаб этого уникален."