Дома, которые греют сами себя — реальность? Ученые создали цемент, который генерирует электричество из тепла и работает как аккумулятор

Ученые из Юго-Восточного университета в Китае разработали новый материал на основе цемента, способный вырабатывать и хранить электричество из тепла.

Отмечается, что речь идет о смеси цемента с гидрогелем, которая была разработана группой ученых под руководством профессора Чжоу Янга. Ученые вдохновлялись слоистой структурой в середине стебля растений для создания материала, который будет превращать тепловую энергию в электрическую и сохранять ее.

Новый материал на основе цемента и гидрогеля демонстрирует коэффициент тепловой мощности (коэффициент Зеебека) — 40,5 мВ/К и коэффициент добротности

параметр колебательной системы, определяющий ширину резонанса и характеризующий, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за время изменения фазы на 1 радиан. То есть чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии за каждый период и тем медленнее затухают колебания— 6,6×10-². Эти значения в 10 и 6 раз выше тех, что были зафиксированы для аналогичных термоэлектрических материалов на основе цемента

Биологический дизайн цементно-гидрогелевой термоэлектрической смеси/Sciencedirect

Цемент обладает свойствами ионного термоэлектрического эффекта, то есть, способен генерировать электричество. Однако этот эффект преимущественно слабый, чтобы использовать его на практике. А все из-за того, что структура цемента слишком плотная, что ограничивает скорость движения ионов.

«Разница в скорости диффузии между катионами и анионами в растворе цемента с порами из-за разницы во взаимодействии со стенками пор наделяет цемент ионными термоэлектрическими свойствами. Однако изоляция пор плотной цементной матрицей препятствует быстрой транспортировке ионов с высокой скоростью диффузии, предотвращая увеличение разницы подвижности между ионами и ограничивая повышение коэффициента Зеебека», — объясняют исследователи.

Для решения этой проблемы ученые создали многослойную структуру. В этой структуре слои цемента чередуются со слоями гидрогеля поливинилалкоголя. Слои гидрогеля быстро пропускают гидроксид-ионы (OH-). В то же время участки между цементом и гидрогелем спроектированы таким образом, чтобы прочно связываться с ионами кальция (Ca²⁺) и слабее с OH-.

Этот дисбаланс позволяет увеличить термоэлектрический эффект, ускоряя движение определенных ионов и создавая существенную разницу в подвижности. Однако инновационный материал непросто способен генерировать электричество, он также может хранить его как аккумулятор. Многослойная структура наделяет его как свойствами прочного материала, так и способностью хранить электрическую энергию. В будущем это позволит зданиям, мостам, дорогам, построенным из этого материала, питать датчики и беспроводные системы связи, непосредственно встроенные в конструкции.

По словам исследователей, разработанная ими многослойная структура позволяет создавать большое количество участков для взаимодействия, которые будут усиливать ионы в цементе и способствовать повышению термоэлектрических характеристик. Представьте себе тротуары, которые питают уличные фонари, или мосты, которые контролируют собственное структурное состояние без внешних источников питания.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Bulletin

Новые пленки из оксида титана сразу превращают солнечный свет в тепло

Еще одним значительным достижением в сфере энергоэффективности стала разработка ученых из канадского Национального института научных исследований.

Ученым удалось создать тонкую пленку на основе оксида титана особой фазы Ti₄O₇, известной как «фазы Магнели», это субоксиды титана в виде порошка с уникальными электрическими и химическими свойствами. Новый материал способен напрямую преобразовывать солнечный свет в тепло с удивительно высокой эффективностью.

«Ti₄O₇ классически синтезируется методами термического восстановления в порошковой форме. Эти методы, как правило, не позволяют синтезировать чистую фазу материала Ti₄O₇ и/или точно контролировать его состав, морфологию и наноструктуру», — объясняет один из ведущих авторов исследования, аспирант Национального института научных исследований, Луик Пишон.

По его словам, с помощью этих методов чаще всего получают смешанные фазы, которые ограничивают свойства материала, в частности электропроводность. Кроме этого пригодный для использования материал ограничивается размерами небольших гранул.

Температурные профили пленок Ti₄O₇, нанесенных при разных температурах/Nature

Для решения этой проблемы команда под руководством профессора Эль Хакани применила метод магнитронного распыления. Этот метод позволяет наносить тонкие пленки и широко используется в полупроводниковой промышленности. С помощью этой технологии разработчикам удалось нанести тонкие пленки Ti₄O₇ толщиной в несколько сотен нанометров на покрытия из металла, кремния и стекла.

«Нанесенное таким образом покрытие Ti₄O₇ полностью меняет поверхностные свойства подложки, которая в противном случае может быть достаточно большой или иметь неоднородную структуру (металлические пластины, кремниевые пластины или стеклянные пластины)», — объясняет руководитель исследования, профессор Эль Хакани.

Исследователи отмечают, что разработанные ими тонкие пленки на основе Ti₄O₇ могут использоваться в производстве высокопроизводительных анодов для очистки воды. Кроме того, материал может быть существенно полезен при производстве водорода и аммиака. Этот тип покрытия может использоваться для умных окон с подогревом, что будет способствовать повышению энергоэффективности домов.

Спецпроекты

Физики определили крыши для домов с идеальным сохранением тепла

Профессор кафедры машиностроения из Университета Дьюка в США Адриан Бежан совместно с доцентом кафедры машиностроения и материаловедения в Международном университете Флориды Пежманом Марданпуром определили форму крыш для домов, которые идеально сохраняют тепло.

По результатам расчетов ученые установили, что приземистая или высокая линия крыши, будут влиять на то, как будет вести себя воздух внутри. Если взять одну вершину на А-образной раме или круглом конусе, и если эта вершина будет меньше 0,9 м в высоту, воздух будет плавно и равномерно течь по ней, как вода, стекающая по краю раковины.

Adrian Bejan, Duke University

Исходя из физики этих воздушных потоков и теплопередачи, если конек крыши короче около 0,9 м, он должен быть примерно в три или четыре раза шире своей высоты, чтобы минимизировать потери тепла.