Каждый день промышленность, транспорт и даже бытовые системы теряют огромное количество тепловой энергии. Это тепло бесследно рассеивается в воздухе, хотя могло бы стать дополнительным источником электричества и сократить потребление традиционных ресурсов. Проблема преобразования отходов тепла в полезную энергию на протяжении десятилетий оставалась сложным вызовом для ученых всего мира, пишет krakow-future.eu.
В 2024 году группа исследователей Научно-технического университета AGH в Кракове под руководством профессора Кшиштофа Войцеховского (Krzysztofa Wojciechowskiego) в сотрудничестве с коллегами из Исследовательской сети Лукаcевича (Sieci Badawczej Łukasiewicz) и Института физики Польской академии наук (Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk) в Варшаве сделала весомый шаг в этом направлении. Ученые создали прототип термоэлектрических модулей с мощностью, достигающей 2,5 кВт/м², и при этом сумели существенно снизить себестоимость разработки.
Как родилась идея?
Польские ученые подсчитали: энергия, которая в XXI веке активно расходуется, может стать ключом к новому технологическому прорыву. Тепло от заводских печей, транспортных двигателей или серверных установок способно преобразовываться в электричество, благодаря термоэлектрическим материалам. Принцип этого явления известен давно: разница температур в полупроводниковых элементах создает электрический ток. Однако на практике эта технология оказалась слишком дорогой и технически сложной. Высокая цена керамических компонентов, ограниченные возможности формования и низкая теплопроводность не позволяли найти принципиально иное решение и вывести разработки на рынок.
Но в 2024 году команда Краковского университета науки и техники смогла реализовать то, что считалось маловероятным. Группа исследователей под руководством профессора Кшиштофа Войцеховского с факультета инженерии материалов и керамики Научно-технического университета AGH, в сотрудничестве с коллегами из исследовательской сети Лукаcевича и Института физики Польской академии наук в Варшаве создала прототип термоэлектрических модулей нового поколения. Их главная особенность – в материалах. Вместо традиционной керамики ученые использовали алюминиевые сплавы, что сразу снизило стоимость производства.
Простой материал, огромный эффект
Алюминий не только дешевле керамики, но и значительно теплопроводнее. Для термоэлектрических систем это критически важно: чем быстрее тепло передается между слоями, тем эффективнее работает модуль. Кроме того, алюминиевые сплавы легче поддаются формованию, поэтому модули можно изготавливать различной формы, подстраиваясь под конкретные системы. Это означает, что будущие термоэлектрические генераторы смогут интегрироваться в производственные линии, системы охлаждения или корпуса электронных устройств без сложных дополнительных решений.
Мощность прототипа достигает 2,5 кВт/м² – уровень, который приближает технологию к промышленному применению. Исследователи подчеркивают: полученные результаты удалось обеспечить без роста себестоимости, напротив – с ее существенным снижением. В мире, где стоимость энергии определяет конкурентоспособность отраслей, это стало очень ценной разработкой.
Как работает инновация: два подхода к созданию материалов
Чтобы достичь желаемых характеристик для своих термоэлектрических модулей, команда профессора Кшиштофа Войцеховского из AGH пошла двумя путями. Оба метода были направлены на изменение структурных и микроструктурных свойств материалов, что гарантировало улучшение их эффективности. Первый метод основывался на концепции градиентных материалов. Используя тщательно подобранные легирующие добавки, ученые одновременно могли регулировать два критически важных параметра: энергию Ферми и ширину запрещенной зоны. Второй метод предусматривал создание композитных материалов, которые помогли существенно ограничить теплопроводность, но при этом сохранить высокую электропроводность.
Профессор Войцеховский придерживался принципа, что хороший термоэлектрический материал должен хорошо проводить не тепло, а электричество. Согласовать эти требования было чрезвычайно сложно из-за определенных физических закономерностей. Однако уче ные научились изготавливать материалы, которые стали барьером для теплопередачи. Они напоминали губку или пенопласт, но в то же время проводили ток не хуже металлов.
Как термоэлектрика может спасти серверные фермы?
Изобретение очень ценно для отрасли ИТ, ведь современные дата-центры и высокопроизводительные вычислительные комплексы несут колоссальные тепловые потери. Каждый серверный комплекс теряет мегаватты энергии в виде тепла, которое приходится отводить с помощью сложных и дорогостоящих систем охлаждения. А использование термоэлектрических модулей гарантирует двойной эффект: более эффективное охлаждение и частичное возвращение энергии в виде электричества, что снижает общие затраты.
В перспективе именно такие модули способны стать основой для энергоэффективных дата-центров нового поколения. В 2020-е годы ИТ-инфраструктура является одним из крупнейших потребителей электроэнергии в мире, и внедрение технологий AGH может существенно снизить нагрузку. При этом речь идет не о далеком будущем, а о вполне реалистичном сценарии: прототип уже существует, ученые даже занимаются запуском производственной линии.
Выгодные ставки на рынке
Разработка модулей с алюминиевыми сплавами открывает двери на рынок, где фактически нет европейских игроков. Профессор Войцеховский в беседе с журналистами подчеркнул, что компании, которые специализируются на термоэлектрических технологиях, сосредоточены в Китае, США, Украине и России. Европейский рынок почти свободен от конкуренции, что создает уникальный шанс для Польши стать первооткрывательницей в этой сфере. В мире, где технологические инновации быстро превращаются в стратегическое преимущество, это важный фактор не только для науки, но и для экономики.
Благодаря высокой теплопроводности алюминиевых сплавов и возможности изготовления модулей любой формы, их можно интегрировать в сложные производственные системы, где отходы тепла раньше не использовались. Это касается, как заводских печей, так и котельных, кондиционеров или теплообменников. Даже небольшие промышленные предприятия смогут получать дополнительные источники электроэнергии, снижая расходы и повышая экологичность производства.
Будущее энергетики и ИТ
В сфере ИТ потенциал еще более заметен. Дата-центры, серверные фермы и крупные вычислительные комплексы потребляют колоссальные объемы электроэнергии, и значительная ее часть превращается в тепло, которое нужно отводить. Использование термоэлектрических модулей позволяет не только эффективнее охлаждать серверы, но и возвращать часть энергии в виде электричества. Это обещает значительное снижение затрат на электроэнергию, повышение энергоэффективности и возможность использования полученной электроэнергии для других внутренних систем дата-центра. Особенность разработки AGH заключается также в адаптивности. Так как модули реально изготавливать в различных формах, они могут стать неотъемлемой частью современных ИТ-комплексов. Ведь там каждый кубический сантиметр имеет значение, а эффективность и надежность определяют конкурентоспособность компании.
Изменить энергетический ландшафт Европы
Ученые уже подчеркнули стратегическое значение проекта. Польша получит возможность занять вакантную нишу на европейском рынке термоэлектрики, что может сделать страну центром европейских инноваций в области возобновляемой энергии и энергоэффективности. Успех позволит не только производить высокоэффективные термоэлектрические модули для промышленности и ИТ, но и откроет новые направления для исследований. Речь идет об оптимизации материалов, интеграции в энергетические системы и автоматизации производственных процессов.
Так что разработка AGH – это не просто научное достижение, а шаг к будущей интеграции термоэлектрических технологий. Появление таких новинок в Европе способно изменить баланс рынка, создавая конкурентные преимущества для польских компаний и исследовательских центров. А еще – сформировать базу для дальнейших инноваций в области энергоэффективных решений.