Команда исследователей из Дальневосточного федерального университета, Института автоматики и процессов управления ДВО РАН и ряда научных центров Китая разработала инновационное устройство для выработки электроэнергии за счёт температурного градиента. Принцип его работы основан на суточных колебаниях температуры: днём одна сторона конструкции аккумулирует тепло от солнечных лучей, а ночью другая — отводит тепло в окружающую среду. Итоги исследования опубликованы в журнале Nano Research, сообщили в пресс-служба ДВФУ.
Сердце устройства — термоэлектрический генератор: он преобразует разницу температур между двумя сторонами в электрический ток. Главная трудность подобных систем — необходимость стабильно поддерживать температурный перепад. Исследователи решили эту задачу за счёт особой конструкции: в центре размещён термоэлектрический модуль, к которому с обеих сторон примыкают специализированные микроструктурированные пластины.
Одна из пластин изготовлена из кремния и покрыта массивом острых микроконусов. Дизайн структуры вдохновлён строением глаза ночной бабочки: благодаря антиотражающим свойствам такая поверхность эффективнее превращает солнечный свет в тепло. Эксперименты показали, что микроструктурированный кремний способен поглощать до 95% падающего солнечного излучения и в уличных тестах заметно нагревался по сравнению с температурой воздуха.
Вторая пластина выполнена из диоксида кремния и имеет иную микроструктуру — массив усечённых микроконусов. Этот элемент почти не поглощает солнечный свет, зато активно взаимодействует с инфракрасным излучением в диапазоне 8–13 мкм — так называемом атмосферном окне прозрачности. Через него тепло беспрепятственно уходит в пространство, обеспечивая пассивное охлаждение поверхности.
По словам соавтора работы Александра Кучмижака (ДВФУ и ИАПУ ДВО РАН), главный итог исследования — успешная интеграция двух технологий в одном устройстве: фототермического преобразования энергии и пассивного радиационного охлаждения. Этого удалось добиться благодаря тщательному подбору материалов и их микроструктурированию, которое задаёт нужные оптические характеристики в целевых спектральных диапазонах. В результате удалось существенно повысить эффективность стандартного термоэлектрического генератора.
Испытания устройства проводились в разные сезоны. Наиболее высокие показатели были зафиксированы летом — в условиях максимальной солнечной активности. В весенне‑осенний период эффективность снижалась, а зимой была минимальной. При этом выработка энергии не прекращалась даже ночью: работа поддерживалась за счёт охлаждения одной из сторон конструкции.
Александр Кучмижак подчеркнул, что на текущем этапе устройство генерирует сравнительно небольшой объём энергии. Однако ключевым достижением является сам принцип создания устойчивого температурного перепада без применения активных систем охлаждения. Полученные данные открывают перспективы для масштабирования и доработки подобных устройств — в первую очередь за счёт использования высокоэффективных микроструктурированных покрытий.
Разработчики считают, что технология найдёт применение в термоэлектрических устройствах нового поколения. Особенно она перспективна для автономных датчиков и маломощной электроники, где критически важно обходиться без внешнего питания и сложных охлаждающих систем.
В проекте приняли участие специалисты Дальневосточного федерального университета, Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, Харбинского технологического института, Ляонинской академии материалов и других научных организаций.