Грант Велихова помогает совершить прорыв в энергетике.
В это трудно поверить, но в эпоху растущего энергодефицита огромные объемы тепла, выделяющегося при работе промышленных и энергетических объектов, до сих пор просто рассеиваются в окружающей среде. Между тем науке известно, как вернуть эту энергию в полезный оборот, - напрямую превращая «бросовое» тепло в электричество. Однако путь от фундаментальной физики твердого тела до надежного источника энергии оказывается гораздо длиннее и сложнее, чем можно предположить. Коллектив ученых НИТУ МИСИС, ставший победителем конкурса имени Евгения Петровича Велихова Российского научного фонда (грант №25-13-90003), намерен последовательно, шаг за шагом пройти эту трудную дистанцию.
В интервью журналисту газеты «ПОИСК» руководитель проекта доктор физико-математических наук, профессор Юрий ПАРХОМЕНКО объясняет, почему в этой области важны не лабораторные рекорды, а системные решения, позволяющие преодолеть ключевые научные и инженерные ограничения.
– Грант РНФ имени Е.П.Велихова - особый по статусу. В чем, на ваш взгляд, его принципиальное отличие? Что для вашего коллектива означает победа в этом конкурсе?
– За рамки обычных проектов «велиховский» грант выводят масштаб и логика постановки задачи. Это не поддержка отдельного направления или технологии, а работа «под ключ» - от фундаментальных исследований до практической реализации, ориентированной на конкретные государственные и отраслевые потребности.
Такой подход РНФ соотносится с научной философией самого Евгения Петровича Велихова. Он всегда настаивал на том, что фундаментальная наука должна не замыкаться в себе, а становиться основой технологического развития страны, - через сложные междисциплинарные проекты, рассчитанные на годы.
Наш проект как раз выстроен в этой логике. Он направлен на решение всей совокупности проблем термоэлектрического преобразования тепла в электричество: от создания новых материалов до разработки технологии, конструкции термоэлементов и термоэлектрических генераторов (ТЭГ) с повышенным КПД.
Для нас победа в конкурсе - это и свобода решать комплексную задачу целиком, объединяя глубокую науку с инженерной мыслью, и обязательство представить реальный работающий результат.
– Если объяснять простыми словами, что такое термоэлектричество и какую ключевую проблему решает ваш проект?
– Термоэлектричество - это способ прямого преобразования тепла в электрическую энергию без движущихся частей, без турбин и роторов. Нагрел одну сторону термоэлемента, охладил другую - и получил ток.
Этот эффект известен давно, но до сих пор эффективность метода остается ограниченной. Главная проблема в том, что современные термоэлектрические материалы (обычно это сплавы редких, часто токсичных металлов или полупроводников) слишком неэффективны. Из тепловой энергии они «извлекают» лишь небольшую долю - обычно менее 5% в диапазоне температур от 50 до 300°C. Этого недостаточно для широкого промышленного применения.
Наш проект нацелен на создание новых материалов и технологий, которые позволят заметно повысить эффективность таких устройств и сделать термоэлектричество конкурентоспособным.
Формирование тонкопленочных контактных систем магнетронным распылением. Фото Андрея Турутина
– Каким должен быть термоэлектрический материал, чтобы он работал эффективно?
– Он должен одновременно хорошо проводить электричество и плохо проводить тепло, а также сохранять свои свойства при высоких температурах и в течение десятилетий.
– Вы работаете с так называемыми среднетемпературными термоэлектрическими материалами. Почему именно этот диапазон принципиально важен?
– Температуры от 20 до 600°C - самый востребованный, но и самый сложный для технологии интервал. Сюда попадает основная масса неиспользуемого, «бросового», промышленного тепла (трубы, печи, химические реакторы), где рассеиваются гигантские объемы горячих газов.
Особенно интересна зона около 300°C. Именно при таких температурах работают, например, атомные станции малой мощности. Это температура теплоносителя (обычно воды) на выходе из активной зоны реактора. Если оснастить эти АЭС эффективными термоэлектрическими генераторами, можно получить автономные необслуживаемые источники электроэнергии с ресурсом до 25 лет, что принципиально важно для удаленных труднодоступных районов.
– В проекте заявлена цель достичь термоэлектрической добротности больше или равной единице. Что это означает? Насколько это амбициозная задача по мировым меркам?
– ZT (термоэлектрическая добротность) - это главная «метрика качества» для нашего материала. Проще говоря, это число, которое показывает, насколько хорошо он одновременно проводит ток и задерживает тепло. Чем выше ZT, тем выше КПД конечного генератора.
Цель ZT ≥ 1,0 в нашем рабочем диапазоне - это мировой уровень. Исследования в области термоэлектрического материаловедения проводятся целым рядом научных групп. В 2023-2025 годах в мире по данному направлению опубликовано в ведущих научных журналах более трех тысяч научных статей. Однако на фоне заявляемых учеными успехов в повышении термоэлектрической добротности, промышленной реализации эффективных термоэлектрических материалов не наблюдается.
Наша цель не просто повторить лабораторный рекорд, а разработать промышленную технологию получения стабильного материала с высокой добротностью. Это качественный скачок.
– В чем новизна ваших подходов к созданию эффективных термоэлектрических материалов?
– Обычно максимум эффективности достигается в узком «окне» температур. Мы же хотим создать материал, который будет сохранять высокие показатели в широком диапазоне - около 300 градусов. Это как сделать двигатель, который одинаково эффективно работает и в городе, и на скоростной трассе.
Мы будем применять прецизионное легирование - введение точных добавок - для управления электронными свойствами и формировать такую микроструктуру материала, которая, во-первых, замедлит распространение тепла, а во-вторых, обеспечит механическую прочность и термическую стабильность при длительной работе в условиях перепадов температур, а также устойчивость к деградации со временем.
– Почему в проекте уделено большое внимание, казалось бы, «вспомогательным» элементам - контактным системам и защитным покрытиям?
– Контакты - это место, где материал соединяется с токосъемником. Если контакт плохой, он греется, разрушается, и вся установка выходит из строя. В условиях постоянных тепловых напряжений это критично.
А защитные покрытия нужны, чтобы спасти материал от окисления и испарения (сублимации) при высоких температурах. Можно создать идеальный материал, но без надежной «брони» и крепких «проводящих ворот» он быстро деградирует. Сегодня технология контактов и защитных покрытий - одно из самых узких мест при создании долговечных и эффективных термоэлектрических генераторов.
– Какие этапы проекта вы считаете наиболее рискованными с научной точки зрения?
– Главный вызов - преодолеть физический «потолок» эффективности при относительно небольшом перепаде температур (как в атомных станциях малой мощности). Нужно не просто увеличить ZT, а сделать это в жестких температурных рамках заказчика. Это требует нетривиальных решений в дизайне материала и архитектуре термоэлемента.
– Какие новые инструменты или подходы вы планируете использовать при реализации проекта?
– Наша сила - в синергии. Мы используем современное оборудование для синтеза и анализа материалов (например, рентгеновская дифрактометрия, сканирующая и электронная микроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия), сквозное компьютерное моделирование процессов от атомного уровня до готового устройства и уникальный 40-летний опыт нашей команды в практическом термоэлектрическом приборостроении. Мы не просто изучаем материалы, мы знаем, как из них сделать работающее устройство.
– Расскажите подробнее о вашей команде. Требует ли задача создания новых связей с другими лабораториями МИСИС или научными центрами страны?
– У нас большая команда, почти 40 человек - физики, технологи, инженеры, аспиранты, студенты. Члены коллектива, среди которых много докторов и кандидатов наук, имеют опыт и знания в области термоэлектричества, материаловедения, структурных методов диагностики. Есть и опыт создания термоэлектрических устройств.
Мы укрепляем кооперацию: наш ключевой партнер - МИЭТ. Сотрудничаем и со многими ведущими специалистами в области термоэлектричества по всей России.
– Какова роль в реализации проекта заказчика - НИЦ «Курчатовский институт»?
– Курчатовский институт выступил инициатором проекта и сформировал техническое задание, основанное на практических потребностях современной энергетики. Наша миссия - превратить эти требования в научно-технические решения. Такое взаимодействие гарантирует, что наши разработки не останутся в лаборатории, а лягут в основу новых автономных источников энергии, ориентированных на конкретные энергетические системы.
– Какие испытания предстоит пройти разработанным термоэлементам, чтобы подтвердить работоспособность и надежность?
– Их ждут проверка на прочность, длительные циклические нагревы и охлаждения, работа в условиях повышенной влажности. Испытания должны подтвердить, что элементы не только эффективны, но и стабильны на протяжении тысяч часов. Только так можно гарантировать многолетний ресурс генератора.
– Что вы хотели бы видеть в качестве главного итога работы к окончанию проекта в 2029 году?
– К завершению работ по «велиховскому» гранту РНФ будут получены новые фундаментальные знания, подтвержденные публикациями в высокорейтинговых журналах и защитами диссертаций, разработана опытно-промышленная технология изготовления новых материалов и термоэлементов, созданы рабочие прототипы эффективных устройств, готовых к передаче заказчику для интеграции в реальные системы. Целесообразность получения патентов определит заказчик.
– Где именно планируется применение разработок?
– Прежде всего в термоэлектрических блоках атомных станций малой мощности, разрабатываемых НИЦ «Курчатовский институт». Наши ТЭГ могут стать для них источниками автономного энергоснабжения систем управления и контроля.
В более широком смысле результаты будут востребованы везде, где есть неиспользуемое тепло и нужна автономная энергия. Это изолированные источники электроэнергии для Крайнего Севера, Северного морского пути, Дальнего Востока, в газо- и нефтепроводной инфраструктуре, то есть, там, где очень важны надежность, жизнеспособность, простота использования энергетических установок.
– Что должно измениться в промышленности или науке, чтобы термоэлектричество перестало быть «нишевой» технологией?
– В ближайшем будущем термоэлектричество, конечно, не заменит солнечные панели или турбины, но может дополнить их там, где есть тепло и нет других практических решений. Это отрасль с огромным потенциалом роста, который зависит от прорывов в материаловедении и создания современных промышленных технологий производства эффективных термоэлектрических приборов.
Для ее развития, безусловно, нужна современная производственная кооперация. Идеальный шаг - создание координирующего центра, например, в виде консорциума с участием НИЦ «Курчатовский институт», МИСИС и МИЭТ, который смог бы наладить сквозной процесс - от фундаментальных исследований до серийного выпуска генераторов под конкретные задачи.
– Как вы видите развитие термоэлектрических технологий в России на горизонте 10-15 лет?
– Благодаря школе академика А.Ф.Иоффе и его не утратившим актуальности открытиям наша страна имеет все шансы стать мировым лидером в прикладном термоэлектричестве. У нас сильная наука, понимание технологических барьеров и огромная практическая потребность в таких решениях. Мы можем создать не просто отдельные устройства, а целую индустрию автономной энергетики.
– Что лично для вас самое интересное в термоэлектриках - фундаментальность задачи или практическая значимость?
– Это область, где красивая физика конденсированного состояния встречается с инженерным вызовом, и разделить их невозможно. А самое вдохновляющее - осознавать, что, несмотря на все сложности, российская наука и технологии здесь могут совершить настоящий прорыв, который изменит практику энергоснабжения. Это очень мотивирует.
Надежда ВОЛЧКОВА
Обложка: определение химического состояния элементов в антимониде цинка методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Фото Андрея Турутина
