Термозарядка для мобильника

« Мы уже достаточно долго, более пятнадцати лет, работаем с различными модификациями наноразмерных углеродных структур. Применительно не только к теплоэлектрогенераторам, но и, например, к эффективным автоэмиттерам электронов, к различного типа сенсорам — фоточувствительным сенсорам и так далее. Найденные нами ранее закономерности взаимодействия теплового потока с электронной подсистемой в создаваемых нами углеродных наноструктурах и лежат в основе конкретного устройства — термоэлектрического генератора», — пояснила «Стимулу» руководитель группы разработчиков Ольга Квашенкина, директор НТЦ «Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности» (НЦМУ СПбПУ «Передовые цифровые технологии»).

Термоэлектрический генератор представляет собой малогабаритное устройство (в корпусной сборке он будет иметь размеры 5 × 2 миллиметра), переводящее тепловую энергию в электрическую. Устройство содержит сложную углеродную наноструктуру. Внутри структуры при нагревании происходят квантовые электродинамические процессы, запускающие термоэлектрическую генерацию. В нагреваемой структуре, которая имеет сложную стехиометрию, запускаются процессы взаимодействия электронной подсистемы и структурной подсистемы (решетки). В результате такого квантово-физического взаимодействия при термическом воздействии возникает электрический ток.

«В основе термоэлектрического генератора лежит углеродная наноструктура в различных своих модификациях, — поясняет Ольга Квашенкина. — Хорошо известно, что углерод может быть в форме алмаза и представлять собой практически идеальный диэлектрик — вещество, не проводящее электрический ток, и в форме графита — очень хорошего проводника электрического тока. Вот именно на основе композита из этих двух аллотропных состояний углерода и сделан наш генератор. Данный композит мы получаем по совершенно уникальной технологии, позволяющей добиться повторяемости свойств термоэлектрических генераторов, что очень хорошо с точки зрения индустриализации проекта».

Принцип работы заложен в строении нанокомпозитного углерода, используемого в генераторе, в его различных состояниях. Чередование проводящего и непроводящего состояний одного и того же вещества позволяет использовать специфику взаимодействия тепловых и электронных потоков. Расчеты такого взаимодействия, как и наблюдаемая в работе термоэлектрического генератора физическая суть такого взаимодействия, применимы для единичных квантов теплового излучения и единичных электронов, что и позволяет заявлять о квантово-электродинамических процессах.

Термоэлектрический генератор представляет собой малогабаритное устройство (в корпусной сборке он будет иметь размеры 5 × 2 миллиметра), переводящее тепловую энергию в электрическую

СПбПУ

От виртуальной модели до прототипа

После завершения теоретической части работы ученые построили цифровую модель и провели виртуальные испытания, что существенно сократило время на разработку технологии.

В сентябре этого года Россия первой в мире разработала и утвердила стандарт цифровых двойников изделий. Элементы технологии цифровых двойников раньше стали распространяться на Западе, но именно российские ученые и инженеры первыми систематизировали свой успешный опыт в этой сфере и закрепили его в формулировках стандарта. Инициатором разработки стандарта и одним из главных его создателей стал Алексей Боровков, проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель центра НТИ «Новые производственные технологии» и инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®). Недавно он рассказал «Стимулу» о том, как задумывался, рождался, обсуждался и утверждался стандарт цифровых двойников.

«Виртуальные испытания в любых научных и технологических изысканиях всегда позволяют добиться ускорения в разработке новых технологий и устройств, а также снизить риски ошибок на этапе прототипирования, — пояснила Ольга Квашенкина. — В наших разработках мы в полной мере используем принципы создания цифровых двойников как исследуемых рабочих процессов, так и работы создаваемых устройств. Конечно же, есть своя специфика создания цифровых прототипов электронных устройств, базовой рабочей частью которых являются какие-то нанообъекты. Тут нам приходится буквально изменять под себя, а иногда и дописывать “в коде” работу модулей софт-продуктов, которыми мы пользуемся для моделирования. С этой целью в нашей команде работает ряд высококлассных ИТ-специалистов».

Затем результаты моделирования были проверены экспериментальным путем с помощью атомно-силовых микроскопов, различных типов спектрометров и комплекса исследовательского оборудования, созданного специально для этой разработки. В настоящее время проект находится на стадии прототипирования в «железе».

Установка магнетронного напыления

СПбПУ

Тепловая зарядка

Устройство сможет заряжать приборы с малой энергоемкостью — электронные часы, светильники, системы полива комнатных растений и так далее. Как пояснила Ольга Квашенкина, в перспективе разработчики будут стремиться к формату портативных термоэлектрических зарядок для мобильных телефонов.

Термоэлектрический генератор применим и в промышленности: к примеру, устройство помещается на поверхность турбинного двигателя, который может нагреваться до полутора тысяч градусов, и это тепло, переходя в электрическую энергию, питает датчики, предназначенные для мониторинга состояния систем двигателя.

По оценкам ученых, у устройства высокий КПД: для зарядки бытовых приборов хватает нагрева от обычных батарей. Термоэлектрический генератор можно установить около комнатной батареи или вмонтировать в систему отопления, а получаемую электроэнергию подавать на электрическую разводку, от которой уже заряжать небольшие приборы. Система безопасна как для пользователя, так и для электронного оборудования, которое к ней подключается.

Как планируют ученые, генератор смогут позволить себе обычные потребители. Благодаря малым габаритам оно может быть переносным. Сейчас ученые готовят два патента на изобретения.

В лаборатории НТЦ «Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности»

СПбПУ

Найти незанятую нишу

«Однозначно можно утверждать, — говорит Ольга Квашенкина, — что аналогов такого устройства, работающих на той же структурной базе, что и наши термоэлектрические генераторы, нет ни в России, ни за рубежом. Основным принципом запуска новых проектов в нашем НТЦ “Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности” является “принцип новой ниши” — идем только в новые темы и разрабатываем только новые решения».

Перед запуском любого проекта исследователи проводят технологический форсайт и стараются оценить уровень своей экспертности в интересующей области в сравнении с зарубежной. Кроме того, ученые проводят анализ существующих продуктовых линеек на мировом рынке.

«Все это дает возможность понять, — поясняет Ольга Квашенкина, — в какой области и с какой конкретной темой мы встаем на опережающую позицию. Как правило, это область совершенно новых продуктов, работающих на новых принципах, отличающихся своими свойствами и качеством от того, что есть на рынке. Мы давно поняли, что распространенная, к сожалению, позиция “догоняющей” науки, когда научные группы стремятся догнать иностранных коллег, бессмысленна. Мы ищем или создаем новые ниши и темы. И таким образом выводим и себя как научную группу, и Россию как ее представители на мировую научную и технологическую арену».