Знание- сила, 2000 № 11

Термофотоэлектричество собирается выходить на коммерческую арену. Компания «Pacific Northwest» намечает выпустить генераторы для рыболовных судов.

В ближайших планах – разработка элемента питания для военных подразделений. Возможна эксплуатация таких устройств в автомобилях в качестве вспомогательного двигателя для обычного мотора внутреннего сгорания. В дальней перспективе – использование огромных ресурсов бесполезно теряемого тепла от производственных процессов.

При работе термофотоэлементов прежде всего необходим радиатор. Это устройство должно преобразовывать тепло в инфракрасное излучение нужной длины волны, поскольку применяемые полупроводники могут вырабатывать электричество только при облучении определенными длинами волн. Неиспользованное же поначалу тепло многократно возвращается в радиатор, чтобы еще и еще раз послужить выработке электроэнергии для повышения эффективности устройства.

В качестве «сжигателей» для производства тепла, как правило, используют промышленные сушилки бумаги, красок, чернил и сельскохозяйственного зерна, они могут создавать температуру до тысячи градусов Цельсия. Радиатор обычно делают из окислов редкоземельных элементов – таких, как иттербий, эрбий и гольмий. Когда энергичный фотон от нагревателя поглощается полупроводником рабочего элемента, электроны в полупроводнике переходят из валентной зоны в зону проводимости. Именно этот этап – ключевой в процессе, поэтому эффективность его очень сильно зависит от выбранного материала.

Первое поколение термофотоэлектронных устройств использовало радиаторы с испусканием узкого интервала длин волн. Но для того чтобы они работали эффективно, приходилось разогревать их до двух тысяч градусов, а такая жара уже вредна для материала. Кроме того, горение при таких безумных температурах идет с выделением очень вредных окислов азота.

Новые устройства сильно продвинулись в своем развитии, когда исследователи научились использовать радиаторы с широким спектром, например карбид кремния. Они с успехом работают при тысяче градусов. Полупроводники для этих радиаторов располагаются в третьей, четвертой и пятой колонках периодической системы, поэтому их называют «материалы III-V*.Среди них – антимонид галлия, арсенид индия и другие. Ширина валентной зоны у них небольшая, в два раза меньше, чем у кремния, поэтому их электроны легче перескакивают в зону проводимости, и так вырабатывается больше электричества.

Понятно, что ни одна система не может работать со стопроцентной эффективностью. Далеко не вся энергия от радиатора превращается в электричество, надо придумывать специальные устройства, чтобы уменьшить потери. Лучше всего работает отражающее зеркало с позолоченной поверхностью.

С 1994 года все заинтересованные в новой технологии лица стали собираться на международные конференции, чтобы обсудить проблемы и достижения. Их состоялось уже три, и активное участие в их организации и проведении принимают американский департамент энергии, министерство обороны и военные исследовательские организации. Лучшее достижение последних лет – выработка трех-четырех ватт мощности на квадратный сантиметр. Эту цифру можно увеличить раза в два, если организовать отвод электричества с нескольких точек, но это сделать сложнее.

Все исследовательские группы рассматривают теперь конструкции, когда много элементов, вырабатывающих электричество, соединено последовательно один за другим и работает вся цепочка. Более того, их стараются объединить в виде многослойной вафли.

Вот-вот должен появиться первый коммерческий продукт, сделанный американской фирмой «JX Crystals»: это цилиндр высотой в полметра и диаметром в 15 сантиметров. Горит в нем газ пропан, а вырабатывает он 30 ватт электроэнергии и будет использоваться на небольших промысловых судах. Устройство называется очень поэтично – «Полуночное солнце». Стоит оно пока три тысячи долларов, что дороже дизеля такой же мощности, но работает практически бесшумно и более надежно, поскольку в нем нет движущихся частей. Устройство заинтересует владельцев уединенных домов и дач, для которых готовится образец подешевле – без необходимой для моря повышенной прочности и долговечности.

Все это, конечно, опытные образцы, а главный заказчик будущего – армия. Модули на 150 и 300 ватт, работающие с использованием оксида иттербия, уже питают электричеством полевые радиостанции и переносные компьютеры.

Пока рынок термофотоэлектрических устройств пуст, но кто может предвидеть грядущее? Основатель фирмы IBM Томас Уотсон в свое время считал, что на рынке может возникнуть потребность лишь в нескольких компьютерах, но тем не менее решил развивать фирму. Вполне возможно, что и новые устройства ждет блестящее будущее. Они ведь могут с пользой переработать избыточное, абсолютно дармовое тепло многих промышленных процессов – производства стекла, алюминия, стали. Это резко снизит стоимость вырабатываемой электроэнергии. Еще одна радужная перспектива для новых генераторов -дополнительный источник энергии для электромобиля.

Сегодняшнее финансирование разработок находится на уровне 20-40 миллионов долларов в год. Маркетинговые исследования показывают, что к 2005 году рынок термоэлектронных устройств может достичь 500 миллионов. Они должны будут заменить дизельные генераторы с мощностью менее двух киловатт. Это энергетика будущего.

По материалам журнала «Scientific American» подготовил Александр Семенов.

Александр Никулин

Недавно вышла в свет книга известного американского ученого Джеймса Скотта «С точки зрения государства: о том, как совершенные схемы улучшения человеческого существования терпели провал». Это не просто очередная монография маститого профессора из Йельского университета. Сам Скотт в предисловии к книге подчеркивает, что «С точки зрения государства…» определенным образом подытоживает и обобщает десятилетние результаты его интеллектуальных исканий. Прежде Скотт в основном изучал жизнь традиционных крестьянских обществ – взгляды и логику поведения «слабых». В своей последней книге Скотт кардинально меняет оптику: он прежде всего изучает видения, замыслы «сильных» и их воздействие на жизнь обычных людей.

Для начала – случай из истории XVIII – XIX веков: как выращивали лес в Германии по канонам научного лесоводства. В век Просвещения к природе относились исключительно «научно» и «рациональной. В знаменитой энциклопедии Дидро определяет «Лес» как экономический ресурс, полностью подчиненный фискальной и коммерческой логике прибыльности: всю природу леса он делит на «чистых» и «нечистых» его обитателей с точки зрения дохода. Естественно, природу «чистых» надо преумножать, «нечистых» или, на сленге XVIII века, «дряни» – искоренять. Далее всего в этом деле продвинулась Германия. Ее ученые и лесники решили трансформировать «древнехаотическое лесное скопище» в униформу нового леса, который должен состоять из геометрически точных рядов нормализованных деревьев и обеспечивать постоянную высокую доходность дерева. Почти весь XIX век немцы пунктуально (по составленным таблицам) вычищали свой лес. Немецкая школа научного лесоводства служила эталоном для западных последователей от Норвегии до Северной Америки. Первые поколения деревьев регулярного германского леса демонстрировали наивысшую древесную стать, прочность, из которых извлекалась внушительная прибыль.