Мультифероїки і революція в енергетиці

Кристалічна структура фероїків

Принцип роботи більшості сучасних електростанцій, від сонячних до атомних, базується на випаровуванні та конденсації води.

Механізм перетворення енергії нагрітої води в інший вид енергії вперше суттєво зрозумів Джеймс Ватт у 1765 році. Нагрівання води за допомогою сонячної радіації чи керованої атомної реакції випаровує її, а пара рухає турбіну та виробляє електрику.

Чому вода? Вона дешева (поки що), поглинає багато "прихованого тепла" оскільки перетворюється в пару, виробляє багато електроенергії проходячи через турбіну і, зрештою, легко конденсується назад в рідку воду завдяки природним ресурсам холодоагентів, таким як ріки та різні водозабори.

Перетворення теплової енергії в електричну

Починаючи з фундаментальних досліджень Ніколи Леонара Саді Карно (1824 рік), інженери вивчили як використовувати випаровування та конденсування води (тобто її фазове перетворення між рідиною і газом) для генерування електроенергії.

Підведення тепла до води у відповідній точці циклу та влаштування теплообміну в іншій точці дозволило дослідникам зрештою використати все більше енергії з пари. Для цього вони наполегливо проектували цикл так, щоб отримати максимальну продуктивність.

Продовжуючи кілька столітню роботу тисяч науковців дослідник Річард Джеймс з Міннесотського університету та його команда хочуть замінити процес випаровування та конденсації води докорінно іншим фазовим перетворенням. Вони дослідили можливість використання сплавів металів (специфічних сумішей різних елементів), що називаються "мультифероїками".

Мультифероїки

Мультифероїки – це матеріали, які проявляють хоча б дві з трьох "залізистих" властивостей: феромагнетизм (властивість залізних деталей намагнітившись, певний час зберігати магнітні властивості), сенгетоелектризм (або фероелектризм – виникнення спонтанного дипольного моменту) чи сегнетоеластизм (спонтанна деформація). Природній шлях проявлення сегнетооеластизму – це фазове перетворення, в якому одна кристалічна структура зненацька руйнується, перетворюючись в іншу, так зване мартенситне фазове перетворення.

Замість перетворення води в пару команда Джеймса пропонує використовувати мартенситну фазову трансформацію, яка природнім шляхом відбувається в деяких мультифероїках. Використовуючи математичну теорію для мартенситних фазових перетворень, дослідники відкрили спосіб виробництва таких мультифероїків, які здатні проводити фазові перетворення та припиняти їх проведення.

Зазвичай здатність матеріалу до "вмикання" та "вимикання" процесів фазових перетворень гаситься характеристикою, що зветься "гістерезис". Гістерезис – це час, потрібний для того щоб магнетизм металу наздогнав фазову зміну. Якщо цей процес триває надто довго, він перешкоджає здатності матеріалу до перемикання фаз.

Дослідження сплавів

Як висловився керівник досліджень, ключова ідея їхньої команди полягає у підборі співвідношення матеріалів сплаву таким чином, щоб їхня кристалічна структура ідеально підходила один одному. Коли це буде здійснено, гістерезис фазових трансформацій значно знизиться.

Навіть після виявлення перших сплавів з низьким гістерезисом, вся ідея базувалася виключно на теорії. Тому для того щоб перевірити, що гістерезис знижується саме від очікуваних причин, дослідникам потрібно було спостерігати ідеальну поверхню поділу фаз в їхніх сплавах. Для цього вони звернулися за допомогою до Наукової лабораторії матеріалознавства, де із застосуванням електронного мікроскопу виявили очікувану поверхню поділу між двома фазами.

Сплави Гейслера

Дослідники дотримуються уявлень про сплави Гейслера, які володіють магнітними властивостями навіть в тому випадку, коли метали, з яких вони складаються, не є феромагнетиками. Названі такі сплави на честь німецького гірничого інженера Фрідріха Гейслера, який першим повідомив, що Cu₂MnSn (мідь-марганець-олово) має магнітні властивості, хоча окремо ні мідь, ні марганець, ні олово не є магнетиками. Ця дивовижна властивість проявляти магнетизм також зумовлена мартенситними фазовими перетвореннями.

У своїх дослідженнях вчені порівнювали гістерезис кожного сплаву, починаючи від Ni₂MnSn і, поступово змінюючи склад, аж до Ni₄₅Co₅Mn₄₀Sn₁₀. Останній сплав є просто дивовижним. При низьких температурах він не проявляє жодних магнітних властивостей, а при підвищенні стає майже таким самим сильним магнетиком як залізо. Дослідники негайно зрозуміли, що сплав може діяти як вода на електростанції, переходячи з однієї фази в іншу.

Якщо такий сплав помістити у котушку і нагріти до фазового перетворення, раптова зміна магнітності індукує струм в котушці. Також в процесі сплав поглинає певну кількість прихованого тепла. Такий сплав чудовий тим, що перетворює тепло безпосередньо в електроенергію.

Революціонізування електростанцій

Наслідки винайдення такої технології виглядають далекосяжними. Електростанції не потребуватимуть масивних посудин під тиском, численних трубопроводів та теплообмінників для переміщення гарячої води. А завдяки тому, що температура фазового перетворення може підганятися під певний діапазон, стає можливим використання численних земних енергоресурсів з невеликою різницею температур. Можна помріяти навіть про використання різниці температур між поверхнею океану та його глибинами.

Окрім магнетизму існує ще багато фізичних властивостей, які можуть бути відмінними в різних фазах і які можна використати для виробництва електроенергії з тепла.

За матеріалами: ivescience.com.
Зображення: ncnr.nist.gov.

Читайте також:

Меню