Будинки, що гріють самі себе — реальність? Вчені створили цемент, що генерує електрику з тепла та працює як акумулятор

Depositphotos

Науковці з Південно-Східного університету в Китаї розробили новий матеріал на основі цементу, здатний виробляти та зберігати електрику з тепла.

Зазначається, що мова йде про суміш цементу з гідрогелем, яка була розроблена групою науковців під керівництвом професора Чжоу Янга. Вчені надихались шаруватою структурою в середині стебла рослин для створення матеріалу, який перетворюватиме теплову енергію на електричну та зберігатиме її.

Новий матеріал на основі цементу та гідрогелю демонструє коефіцієнт теплової потужності (коефіцієнт Зеєбека) — 40,5 мВ/К та коефіцієнт добротності

параметр коливальної системи, що визначає ширину резонансу і характеризує, у скільки разів запаси енергії в системі більше, ніж втрати енергії за час зміни фази на 1 радіан. Тобто чим вище добротність коливальної системи, тим менше втрати енергії за кожен період і тим повільніше загасають коливання — 6,6×10⁻². Ці значення у 10 та 6 разів вищі за ті, що були зафіксовані для аналогічних термоелектричних матеріалів на основі цементу.

Біологічний дизайн цементно-гідрогелевої термоелектричної суміші/Sciencedirect

Цемент має властивості іонного термоелектричного ефекту, тобто, здатний генерувати електрику. Однак цей ефект переважно слабкий, щоб використати його на практиці. А все через те, що структура цементу занадто щільна, що обмежує швидкість руху іонів.

«Відмінність у швидкості дифузії між катіонами та аніонами у розчині цементу з порами через різницю у взаємодії зі стінками пор наділяє цемент іонними термоелектричними властивостями. Однак ізоляція пор щільною цементною матрицею перешкоджає швидкому транспортуванню іонів із вищою швидкістю дифузії, запобігаючи збільшенню різниці рухливості між іонами та обмежуючи підвищення коефіцієнта Зеєбека», — пояснюють дослідники.

Для вирішення цієї проблеми науковці створили багатошарову структуру. У цій структурі шари цементу чергуються із шарами гідрогелю полівінілалкоголю. Шари гідрогелю швидко пропускають гідроксид-іони (OH⁻). У той же час ділянки між цементом та гідрогелем спроєктовані таким чином, щоб міцно зв’язуватись з іонами кальцію (Ca²⁺) і слабіше з OH⁻.

Цей дисбаланс дозволяє збільшити термоелектричний ефект, прискорюючи рух певних іонів і створюючи істотну різницю у рухомості. Однак іноваційний матеріал непросто здатен генерувати електрику, він також може зберігати її як акумулятор. Багатошарова структура наділяє його як властивостями міцного матеріалу, так і здатністю зберігати електричну енергію. У майбутньому це дозволить будівлям, мостам, дорогам, побудованим з цього матеріалу, живити датчики та бездротові системи зв’язку, безпосередньо вбудовані у конструкції.

За словами дослідників, розроблена ними багатошарова структура дозволяє створювати велику кількість ділянок для взаємодії, що підсилюватимуть іони у цементі та сприятимуть підвищенню термоелектричних характеристик. Уявіть собі тротуари, які живлять вуличні ліхтарі, або мости, які контролюють власний структурний стан без зовнішніх джерел живлення.

Результати дослідження були опубліковані у журналі Science Bulletin

Нові плівки з оксиду титану одразу перетворюють сонячне світло на тепло

Ще одним значним досягненням у сфері енергоефективності стала розробка науковців з канадського Національного інституту наукових досліджень.

Науковцям вдалось створити тонку плівку на основі оксиду титану особливої фази Ti₄O₇, відомої як «фази Магнелі», це субоксиди титану у вигляді порошку з унікальними електричними та хімічними властивостями. Новий матеріал, здатний безпосередньо перетворювати сонячне світло в тепло з напрочуд високою ефективністю.

«Ti₄O₇ класично синтезується методами термічного відновлення в порошковій формі. Ці методи, як правило, не дозволяють синтезувати чисту фазу матеріалу Ti₄O₇ та/або точно контролювати його склад, морфологію та наноструктуру», — пояснює один з провідних авторів дослідження, аспірант Національного інституту наукових досліджень, Луїк Пішон.

За його словами, за допомогою цих методів частіше за все отримують змішані фази, які обмежують властивості матеріалу, зокрема електропровідність. Окрім цього придатний для використання матеріал обмежується розмірами невеликих гранул.

Температурні профілі плівок Ti₄O₇, нанесених за різних температур/Nature

Для вирішення цієї проблеми команда під керівництвом професора Ель Хакані застосувала метод магнітронного розпилення. Цей метод дозволяє наносити тонкі плівки і широко використовується у напівпровідниковій промисловості. За допомогою цієї технології розробникам вдалось нанести тонкі плівки Ti₄O₇ товщиною у кілька сотень нанометрів на покриття з металу, кремнію та скла.

«Нанесене таким чином покриття Ti₄O₇ повністю змінює поверхневі властивості підкладки, яка в іншому випадку може бути досить великою або мати неоднорідну структуру (металеві пластини, кремнієві пластини або скляні пластини)», — пояснює керівник дослідження, професор Ель Хакані.

Дослідники зазначають, що розроблені ними тонкі плівки на основі Ti₄O₇ можуть використовуватись у виробництві високопродуктивних анодів для очистки води. Крім того, матеріал може бути суттєво корисний при виробництві водню і аміаку. Цей тип покриття може використовуватись для розумних вікон з підігрівом, що сприятиме підвищенню енергоефективності будинків.

Спецпроєкти

Фізики визначили дахи для будинків з ідеальним збереженням тепла

Професор кафедри машинобудування з Університету Дьюка у США Адріан Бежан спільно з доцентом кафедри машинобудування та матеріалознавства у Міжнародному університеті Флориди Пежманом Марданпуром визначили форму дахів для будинків, які ідеально зберігають тепло.

За результатами розрахунків науковці встановили, що присадкувата або висока лінія даху, впливатимуть на те, як поводитиметься повітря всередині. Якщо взяти одну вершину на А-подібній рамі або круглому конусі, і якщо ця вершина буде менше 0,9 м у висоту, повітря буде плавно і рівномірно текти по ній, як вода, що стікає по краю раковини.

Adrian Bejan, Duke University

Виходячи з фізики цих повітряних потоків і теплопередачі, якщо коник даху коротший близько 0,9 м, він повинен бути приблизно в три або чотири рази ширше своєї висоти, щоб мінімізувати втрати тепла.