Щодня промисловість, транспорт і навіть побутові системи втрачають величезну кількість теплової енергії. Це тепло безслідно розсіюється у повітрі, хоча могло б стати додатковим джерелом електрики та зменшити споживання традиційних ресурсів. Проблема перетворення відходів тепла на корисну енергію протягом десятиліть залишалася складним викликом для науковців всього світу, пише krakow-future.eu.
У 2024 році група дослідників науково-технічного університету AGH у Кракові під керівництвом професора Кшиштофа Войцеховського (Krzysztofa Wojciechowskiego) у співпраці з колегами з Дослідницької мережі Лукасевича (Sieci Badawczej Łukasiewicz) та Інституту фізики Польської академії наук (Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk) у Варшаві зробила вагомий крок у цьому напрямку. Науковці створили прототип термоелектричних модулів із потужністю, що сягала 2,5 кВт/м², і при цьому зуміли суттєво знизити собівартість розробки.
Як народилася ідея?
Польські вчені вирахували: енергія, яка у XXI столітті активно витрачається, може стати ключем до нового технологічного прориву. Тепло від заводських печей, транспортних двигунів чи серверних установок, здатне перетворюватися на електрику завдяки термоелектричним матеріалам. Принцип цього явища відомий давно: різниця температур у напівпровідникових елементах створює електричний струм. Проте на практиці ця технологія виявилася занадто дорогою та технічно складною. Висока ціна керамічних компонентів, обмежені можливості формування та низька теплопровідність не дозволяли прийняти принципово інше рішення та вивести розробки на ринок.
Але у 2024 році команда Краківського університету науки й техніки змогла реалізувати те, що вважалося малоймовірним. Група дослідників під керівництвом професора Кшиштофа Войцеховського з факультету інженерії матеріалів і кераміки Науково-технічного університету AGH, у співпраці з колегами з дослідницької мережі Лукасевича та Інституту фізики Польської академії наук у Варшаві, створила прототип термоелектричних модулів нового покоління. Їхня головна особливість – у матеріалах. Замість традиційної кераміки вчені використали алюмінієві сплави, що одразу знизило вартість виробництва.
Простий матеріал, величезний ефект
Алюміній не лише дешевший за кераміку, а й значно теплопровідніший. Для термоелектричних систем це критично: чим швидше тепло передається між шарами, тим ефективніше працює модуль. Крім того, алюмінієві сплави легше піддаються формуванню, тому модулі можна виготовляти різної форми, підлаштовуючись під конкретні системи. Це означає, що майбутні термоелектричні генератори зможуть інтегруватися у виробничі лінії, системи охолодження чи корпуси електронних пристроїв без складних додаткових рішень.
Потужність прототипу сягає 2,5 кВт/м² – рівень, який наближає технологію до промислового застосування. Дослідники наголошують: отримані результати вдалося забезпечити без зростання собівартості, навпаки – з її істотним зниженням. У світі, де вартість енергії визначає конкурентоздатність галузей, це стало дуже цінною розробкою.
Як працює інновація: два підходи до створення матеріалів
Щоб досягти бажаних характеристик для своїх термоелектричних модулів, команда професора Кшиштофа Войцеховського з AGH пішла двома шляхами. Обидва методи спрямували на зміну структурних і мікроструктурних властивостей матеріалів, що гарантувало покращення їхньої ефективності. Перший метод базувався на концепції градієнтних матеріалів. Використовуючи ретельно підібрані легувальні домішки, науковці водночас могли регулювати 2 критично важливі параметри: енергію Фермі та ширину забороненої зони. Другий метод передбачав створення композитних матеріалів, які допомогли суттєво обмежити теплопровідність, але водночас зберегти високу електропровідність.
Професор Войцеховський дотримувався принципу, що гарний термоелектричний матеріал має добре проводити не тепло, а електрику. Узгодити ці вимоги було надзвичайно складно через певні фізичні закономірності. Проте науковці навчилися виготовляти матеріали, які стали бар’єром для теплопередавання. Вони нагадували губку чи пінопласт, але водночас проводили струм не гірше за метали.
Як термоелектрика може врятувати серверні ферми?
Винахід дуже цінний для галузі ІТ, адже сучасні дата-центри та високопродуктивні обчислювальні комплекси несуть колосальні теплові втрати. Кожен серверний майданчик втрачає мегавати енергії у вигляді тепла, яке доводиться відводити за допомогою складних та дорогих систем охолодження. А використання термоелектричних модулів гарантує подвійний ефект: ефективніше охолодження та часткове повернення енергії у вигляді електрики, що знижує загальні витрати.
У перспективі саме такі модулі здатні стати основою для енергоефективних дата-центрів нового покоління. У 2020-х роках ІТ-інфраструктура є одним із найбільших споживачів електроенергії у світі, і впровадження технологій AGH може суттєво знизити навантаження. При цьому йдеться не про далеке майбутнє, а про цілком реалістичний сценарій: прототип вже існує, науковці навіть опікуються запуском виробничої лінії.
Вигідні ставки на ринку
Розробка модулів з алюмінієвими сплавами відкриває двері на ринок, де фактично немає європейських гравців. Професор Войцеховський у розмові з журналістами підкреслив, що компанії, які спеціалізуються на термоелектричних технологіях, зосереджені у Китаї, США, Україні та Росії. Європейський ринок майже вільний від конкуренції, що створює унікальний шанс для Польщі стати першовідкривачами у цій галузі. У світі, де технологічні інновації швидко перетворюються на стратегічну перевагу, це важливий фактор не лише для науки, а й для економіки.
Завдяки високій теплопровідності алюмінієвих сплавів і можливості виготовлення модулів будь-якої форми їх можна інтегрувати у складні виробничі системи, де відходи тепла раніше не використовувалися. Це стосується як заводських печей, так і котелень, кондиціонерів чи теплообмінників. Навіть невеликі промислові підприємства зможуть отримувати додаткові джерела електроенергії, знижуючи витрати й підвищуючи екологічність виробництва.
Майбутнє енергетики та ІТ
У галузі ІТ потенціал ще більш помітний. Дата-центри, серверні ферми та великі обчислювальні комплекси споживають колосальні обсяги електроенергії, і значна її частина перетворюється на тепло, яке потрібно відводити. Використання термоелектричних модулів дозволяє не лише ефективніше охолоджувати сервери, а й повертати частину енергії у вигляді електрики. Це обіцяє вагоме зниження витрат на електроенергію, підвищення енергоефективності та можливість використання отриманої електрики для інших внутрішніх систем дата-центру. Особливість розробки AGH полягає також у адаптивності. Оскільки модулі реально виготовляти у різних формах, вони можуть стати невіддільним складником сучасних ІТ-комплексів. Адже там кожен кубічний сантиметр важливий, а ефективність і надійність визначають конкурентоспроможність компанії.
Змінити енергетичний ландшафт Європи
Науковці вже підкреслили стратегічне значення проєкту. Польща отримає можливість зайняти вакантну нішу на європейському ринку термоелектрики, що може зробити країну центром європейських інновацій у галузі відновлюваної енергії та енергоефективності. Успіх дозволить не лише виробляти високоефективні термоелектричні модулі для промисловості та ІТ, а й відкриє нові напрями для досліджень. Йдеться про оптимізацію матеріалів, інтеграцію в енергетичні системи та автоматизацію виробничих процесів.
Так що розробка AGH – не просто наукове досягнення, а й крок до майбутньої інтеграції термоелектричних технологій. Поява таких новинок у Європі здатне змінити баланс ринку, створюючи конкурентні переваги для польських компаній і дослідницьких центрів. А ще – сформувати базу для подальших інновацій у галузі енергоефективних рішень.