Бытовая электроника и техника, да и сами люди, выделяют тепло, которое обычно просто рассеивается в окружающей среде. Термоэлектрические генераторы (ТЭГ), которые преобразуют разницу температур в электричество, известны давно, но теперь исследователям удалось создать на основе полимера мягкий и эластичный термоэлектрический генератор, который к тому же сможет полностью разлагаться под воздействием окружающей среды.
В отличие от традиционных термоэлектрических устройств, новый генератор можно будет легко интегрировать на тканевую основу, что позволяет создавать носимые на теле датчики, работающие от тепла, или одноразовые маски для лица, которые способны измерять температуру.
В ТЭГ поток зарядов между горячими и холодными областями приводит к появлению разницы потенциалов и генерированию электрического тока. Такие генераторы изготавливают различными способами из разных материалов. Обычно это устройство, одна сторона которого остается холодной, а другая соприкасается источником тепла.
Поскольку они представляют собой полупроводниковые устройства без движущихся частей, ТЭГ требуют минимального обслуживания и весьма долговечны. До сих пор такие устройства изготавливались из сравнительно дорогих и порою токсичных полупроводниковых материалов, таких как теллурид висмута и теллурид свинца, и в основном находили применение в нишевых приложениях, таких как космические корабли и спутники. Например, недавно команда ученых разработала способ получения электричества в космосе, поместив материал, излучающий тепло в космическое пространство, поверх материала, поглощающего тепло из воздуха внутри космического аппарата.
Исследователи давно стремились снизить стоимость и повысить эффективность ТЭГ, однако материалы и конструкции, используемые до сих пор для изготовления ТЭГ, «могут привести к созданию сложного и неэффективного ТЭГ, который будет громоздким и трудным для установки с другими компонентами», — говорит Янг Мин Сонг (Young Min Song), профессор электротехники и информатики в корейском институте науки и техники.
Сонг и его коллеги решили отказаться от традиционного «двухстороннего» подхода. Вместо этого они используют узор, вдохновленный полосками зебры, чтобы создать между этими самыми полосками разницу температур, которая достаточно велика для производства электроэнергии. На белый лист, сделанный из эластичного и биоразлагаемого полимера поликапролактона, который обычно используется для хирургических имплантатов и шовного материала, равномерно наносятся полосы черного полимера. Белые полосы отражают солнечный свет и излучают тепло в инфракрасном диапазоне, а черные, наоборот, поглощают. Таким образом, чередующиеся черные и белые полосы создают горячие и холодные области на эластичной полимерной основе.
Этот полосатый лист помещен поверх так называемой «кремниевой наномембраны». Она представляет собой массив из полупроводниковых нанопроводников волнообразной формы, за счет чего они могут растягиваться, не ломаясь.
При тестировании на открытом воздухе в солнечный день белые полосы стали на 8 °C холоднее, а черные на 14 °C теплее температуры окружающего воздуха, создав максимальную разницу температур в 22 °C. Нанопроводники преобразовывали эту разницу температур в электрическую энергию, генерируя максимальную мощность около 6 микроватт на квадратный метр (мкВт/м²).
По словам Сонга, этого достаточно для работы датчиков с низким энергопотреблением, но, безусловно, ниже идеала для коммерческих приложений. Использование более термоэлектрически эффективных материалов увеличило бы выходную мощность, но главные преимущества устройства — дешевизна, эластичность и биоразлагаемость — были бы утрачены.
«Даже когда образец был растянут примерно в 1,3 раза, производительность генерации сохранилась», — утверждает Сонг. В лаборатории устройство полностью растворилось на безвредные побочные продукты за 35 дней при помещении в солевой раствор. По словам Сонга, такая деградация в естественной среде займет больше времени.
