Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) давно подвергаются критике за свою низкую эффективность. Действительно, значительная часть вырабатываемой энергии теряется в виде тепла, а КПД таких моторов оставляет желать лучшего. Однако именно они стали основой современного транспорта и продолжают оставаться важной частью автомобильной индустрии.
По данным исследований, до 75% энергии, вырабатываемой ДВС, попросту уходит в атмосферу вместе с теплом двигателя и выхлопными газами. Но что, если эту потерянную энергию можно было бы использовать? Ученые из Университета Пенсильвании предложили решение этой проблемы — устройство, способное преобразовывать тепловую энергию в электричество.
Термоэлектрический генератор
Речь идет о термоэлектрическом генераторе (TEG) — компактном приборе, который можно установить прямо на выхлопную трубу автомобиля. Подобные устройства уже существуют и основаны на принципе использования температурного градиента для генерации электроэнергии. Однако до сих пор они были громоздкими, сложными и требовали системы охлаждения для поддержания температурного перепада.
Новая разработка предлагает более эффективный подход. Принцип работы TEG основан на том, что при нагреве одной стороны устройства электроны начинают перемещаться к холодной стороне, создавая электрический ток. В качестве полупроводникового материала исследователи использовали теллурид висмута, который способствует эффективному переносу электронов.
Главная сложность — поддержание температурного перепада без потери эффективности. Ученые решили эту проблему, создав радиатор с ребристыми выступами, который устанавливается вокруг выхлопной трубы и отводит тепло за счет принудительной конвекции. По сути, это работает так же, как система охлаждения в мощных игровых компьютерах.
Возможности и применение
Прототип устройства показал выдающиеся результаты: максимальная мощность, полученная от автомобильной выхлопной системы, составила 40 Вт — этого достаточно для питания маломощных устройств, например, зарядки смартфона. В лабораторных условиях при моделировании движения автомобиля на высокой скорости удалось достичь 56 Вт.
Еще более впечатляющие показатели были получены при тестировании на вертолете: при установке системы на выхлопные отверстия генератор вырабатывал 146 Вт. Конечно, в масштабах всей энергосистемы это небольшая величина, но если учитывать, что эта энергия раньше просто терялась, то результат можно назвать значительным.
Главное преимущество этой технологии — ее простая интеграция в существующие автомобили. Она не требует дополнительных систем охлаждения и способна повысить общую эффективность работы ДВС. Кроме того, такая система может быть особенно полезна для внедорожных квадроциклов и мотоциклов, где выхлопные трубы хорошо вентилируются и эффективнее отдают тепло.
Несмотря на бурное развитие электромобилей, эта разработка доказывает, что у ДВС все еще есть потенциал для повышения эффективности. Любая технология, позволяющая использовать ранее утраченные ресурсы, приближает нас к более экологичному и эффективному транспорту. Возможно, в будущем подобные системы станут стандартом не только в автомобилях, но и в других видах транспорта.
Описание технологии опубликовано в журнале ACS Applied Materials and Interfaces.
