Эволюция электростанций – металл на смену пару

Если взглянуть на современные электростанции – будь то атомные АЭС или же солнечные заводы – окажется, что большинство из них в производстве энергии полагаются на воду, точнее, процессы ее нагревания, испарения и конденсации. В этом вопросе они недалеко ушли от паровых машин, история которых, как нам известно, началась еще в 1765м году. Именно тогда Джеймсу Ватту впервые удалось досконально изучить процессы получения энергии из нагретой воды. Сегодня и солнечная энергия, и энергия радиораспада выполняет все ту же функцию – кипятит воду, которая, испаряясь, поворачивает турбину, производя столь желанное нам электричество.

Почему используется именно вода? Это дешево; в процессе парообразования вода поглощает массу «скрытой теплоты»; увеличиваясь в объеме и проходя сквозь лопасти турбины, она производит немалое количество энергии; и, наконец, остывая, легко конденсируется обратно в жидкость, не требуя дополнительных энергетических затрат для возвращения системы в исходное состояние.

Тепло в электричество

В результате проведения в 1824м году Николя Леонара Сади Карно фундаментального исследования (работа называлась «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу») механики научились управлять процессами кипения и конденсации воды при помощи «фазовой трансформации» между жидкостью и газом. Оказалось, что дополнительный нагрев воды на определенном этапе цикла и предотвращение теплообмена на других этапах в конечном итоге позволяет исследователям извлекать из пара намного больше энергии. Это открытие позволило разработать наиболее энергоэффективный, «идеальный цикл», математическое понятие которого Карно тогда же и ввел (наравне с другими основными понятиями термодинамики).

«Закипание и конденсация воды требует наличия массивных сосудов высокого давления и теплообменников для ее содержания» - пояснил ученый из Университета Миннесоты Ричард Джеймс.

Джеймс и его исследовательская команда решили заменить фазовый переход, связанный с кипением и конденсацией воды, совершенно иным. Они исследуют возможность использования для производства энергии семейства металлических сплавов (специфической смеси разнообразных элементов) под названием «мультиферроики».

Мультиферроики

Мультиферроики – вещества, обладающие как минимум двумя из трех свойств «ферроиков»: ферромагнетизмом (способность к самопроизвольному (спонтанному) намагничиванию, как у железного магнита), сегнетоэлектричеством (способность к спонтанной поляризации) либо ферроупругостью (способность к спонтанной деформации). Естественный пример проявления ферроупругости можно наблюдать во время фазового перехода, когда одна кристаллическая структура внезапно деформируется, сменяясь другой – так называемый мартенситный фазовый переход (превращение).

Идея команды Джеймса заключается в том, чтобы вместо фазового перехода вода-пар использовать мартенситный фазовый переход, являющийся природным свойством некоторых мультиферроиков. Используя математическую теорию мартенситных фазовых превращений, разработанную при поддержке Национального научного фонда, исследователи нашли способ систематичного регулирования состава мультиферроиков, дающий возможность включать и выключать фазовую трансформацию.

В обычной ситуации проявлению способности металла к подобному переключению фаз препятствует такая его характеристика, как «гистерезис» (запаздывание), отвечающая за время, необходимое для того, чтобы изменение магнитных свойств металла «догнало» фазовый переход. Если этот временной промежуток слишком велик, то переключение фаз для данного металла не представляется невозможным.

Эволюция сплавов

«Ключевая идея в том, чтобы управлять составом сплава таким образом, чтобы две кристаллические структуры идеально подходили друг другу», - делится премудростью Джеймс. – «После этого величина гистерезиса фазового перехода сильно уменьшается, и он [фазовый переход] становится в значительной степени обратимым».

Но и с появлением первых сплавов с низким гистерезисом выбранная методика опиралась не более чем на теоретические измышления. «Дабы убедиться, что гистерезис снизился до ожидаемого уровня, нам было крайне необходимо самим увидеть идеальное сопряжение отрегулированных сплавов», - пояснил ученый.

К выполнению этой работы Джеймс привлек Ника Шриверса (Nick Schryvers), сотрудника лаборатории Электронной микроскопии для материаловедения (EMAT) Университета Антверпена в Бельгии (знаменитого центра по исследованию фазовых превращений с помощью электронной микроскопии). Проведенное исследование показало идеальное соответствие поверхностей раздела двух фаз.

Гейслеровы сплавы

Для продолжения развития концепции исследователи взяли семейство сплавов, названных гейслеровыми. Особенность этих сплавов в том, что они обладают магнитными свойствами, невзирая на отсутствие таковых в составляющих их металлах. Названное в честь немецкого горного инженера Фридриха Гейслера, который первым заметил эту особенность за сплавом Cu2MnSn (медь, марганец и олово – не магнетики), семейство сплавов обладает ярко выраженной склонностью к проявлению магнетизма. Как заметил Джеймс, мартенситный фазовый переход также имеет к ним самое непосредственное отношение.

Работая в группе Джеймса, научный сотрудник Vijay Srivastava применил разработанную методику для достижения низкого гистерезиса на практике, систематически изменяя состав сплава Гейслера Ni2MnSn и получив в результате Ni45Co5Mn40Sn10¬.

«Ni45Co5Mn40Sn10 - очень примечательный сплав», - говорит Джеймс. – «Низкотемпературная фаза немагнитна, а вот высокотемпературная фаза является сильным магнитом, почти столь же сильным, как железо при той же температуре». Исследователи сейчас же сообразили, что такой сплав сможет выполнять ту же функцию, что на сегодняшних электростанциях выполняет вода.

«Если окружить сплав небольшой катушкой и нагревать ее при помощи фазовой трансформации, внезапное изменение намагниченности индуцирует в катушке ток», - пояснил Джеймс. – «В процессе сплав поглощает некоторое количество скрытой теплоты. Тепло трансформируется непосредственно в электричество».

Революция электростанций

Потенциально применение технологии может иметь весьма далеко идущие последствия. Электростанциям больше не нужны будут массивные резервуары высокого давления, системы труб и теплообменников, применяемых сегодня для подачи и нагрева воды.

Поскольку температуру перехода можно настраивать в довольно-таки широких пределах, концепция оказывается применима к целому ряду имеющихся на Земле источников тепла, характеризующихся малой разницей температур. Джеймс, впрочем, заглядывается на океанские просторы с их разнотемпературными поверхностными и глубинными водами.

Вместе с Профессором Кристофером Лейтоном (Christopher Leighton) из Университета Миннесоты исследователи также изучают возможности создания тонкопленочных версий прибора. В таком случае они могли бы использоваться прямо в микросхемах компьютера для преобразования отходного тепла в электричество с последующей зарядкой батарей.

Джеймс подчеркнул, что это только один из множества способов применения мартенситного фазового перехода для сохранения энергии. По его мнению, кроме магнетизма есть еще множество физических свойств, различных для двух разных фаз и потенциально пригодных для производства электричества из тепла. Какие из них окажутся наиболее подходящими, и разработка каких концепций для этого понадобится, ученым предстоит еще выяснить.

Источник: Physorg

• < Дорожная энергия «лежачих полицейских»
• Экологическая устойчивость – это процесс созидательного разрушения >

Комментарии: