Новые материалы могут изменить принципы работы тепловых электростанций

Большинство современных электростанций — от солнечных до атомных — используют один и тот же принцип преобразования энергии – фазовые переходы воды от кипения до конденсации. Тепло от солнца, сжигаемого углеводорода или ядерной реакции превращает воду в пар, который при расширении вращает турбину генератора и конденсируется обратно в жидкое состояние. История, начатая Джеймсом Ваттом в далеком 1765 году и получившая научное обоснование Николя Леонар Сади Карно в 1824 году, длится до сих пор благодаря дешевому и энергоемкому рабочему телу – воде. Однако для достижения максимальной эффективности этих фазовых переходов электростанции используют громоздкую и дорогостоящую инфраструктуру из испарителей, теплообменников, магистралей высокого давления и многого другого оборудования.

Исследователи из Университета Миннесоты (University of Minnesota) под руководством Ричарда Джеймса (Richard James)  предлагают заменить воду специальным сплавом металлов, который демонстрирует свойства мультиферроика. Мультиферроики – материалы, которые обладают двумя или тремя состояниями магнитного упорядочивания. Идея, предложенная командой Джеймса, заключается в использовании мартенситного превращения фаз у некоторых мультиферроиков. Грубо говоря, такие сплавы при нагреве и охлаждении скачкообразно меняют свою намагниченность.

Проблема заключалась в наличии у металлов гистерезиса при фазовом превращении, который существенно затрудняет обратимость процесса. Для снижения гистерезиса исследователи использовали семейство сплавов Гейслера. Это сплав металлов, которые по отдельности не обладают магнитными свойствами, но в составе сплава демонстрируют магнитные свойства.

С помощью ученых из университета Антверпена (University of Antwerp) команде Джеймса удалось подобрать необходимый материал – сплав Ni₄₅-Co₅-Мn₄₀-Sn₁₀, который в низкотемпературной фазе является немагнитным и становится мощным магнитом при высокой температуре. Если окружить сплав катушкой, то при изменении фазового состояния сплава (путем нагрева и охлаждения) в ней будет генерироваться электрический ток.

По словам Джеймса, это может привести к революции в принципах получения энергии, позволив значительно упростить процесс. Главным плюсом выступает тот факт, что температурный диапазон для такого рабочего тела может изменяться в очень широких пределах. Концепция может быть адаптирована ко многим источникам тепла, вплоть до разницы температур воды на поверхности и в глубине океана. Исследователи даже рассматривают идею создания таких преобразователей в виде пленок на чипах компьютеров, с целью использовать получаемую энергию для подпитки аккумуляторов.

 Джеймс говорит, что это лишь демонстрация одного из многих способов использования мартенситных фазовых превращений для преобразования энергии. «Кроме  магнетизма есть много физических явлений, которые за счет различных состояний можно использовать для получения электричества из тепла", - сказал Джеймс.