Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Hiệu quả Năng lượng của Đại học Khoa học và Công nghệ MISIS (Nga) vừa phát triển được một phương pháp mới vừa nhanh vừa kinh tế để tạo ra vật liệu cho các máy phát nhiệt điện hiệu suất cao lắp trên các tàu vũ trụ. Vật liệu loại này có thể chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng thành điện năng.

Cấu trúc tinh thể. Ảnh: Sputnik.

Một bài báo miêu tả các kết quả nghiên cứu đó đã được xuất bản trên Tạp chí Hóa học Vật liệu A.

Hiệu ứng nhiệt điện đã được nhà vật lý Đức Thomas Johann Seebeck phát hiện ra vào năm 1821. Nhưng công nghệ sử dụng hiệu ứng Seebeck trên quy mô công nghiệp vẫn chưa đạt tới độ hoàn hảo.

Mặc dù vậy, các vật liệu nhiệt điện đã được con người ứng dụng rộng rãi trong ngành năng lượng và trong các hệ thống làm lạnh trạng thái rắn. Các máy phát nhiệt điện chạy bằng nhiệt phóng xạ đã được sử dụng trên các tàu vũ trụ nổi tiếng như là Cassini và New Horizons.

Xe robot Curiosity thám hiểm bề mặt Sao Hỏa cũng có một máy phát điện dựa trên nguyên tắc nhiệt điện này.

Những ví dụ gần gũi hơn là các nghiên cứu về máy phát nhiệt điện có khả năng tăng hiệu quả của các nhà máy điện (thuộc các loại hình khác nhau), hay về việc tạo điện từ nhiệt của khí thải động cơ.

Các vật liệu nhiệt điện do Đại học MISIS tổng hợp đã kết hợp 2 loại nguyên tử là (1) nguyên tử gắn cố định trong các điểm lưới kết tinh, bảo đảm độ dẫn diện cao, và (2) các nguyên tử dao động tự do trên một giàn kết tinh, giúp tản nhiệt hiệu quả.

Vật liệu trên là kết quả của việc tạo ra các hợp chất đa kim loại với cấu trúc tinh thể chứa đựng các khoảng trống. Các nhà khoa học có thể thu được các đặc điểm tổng hợp mong muốn bằng cách đưa các nguyên tử “khách” lấp vào khoảng trống này mà không phải thay đổi cấu trúc tinh thể.

Andrei Voronin thuộc Trung tâm Hiệu quả Năng lượng MISIS nói: “Chúng tôi đã giải quyết được vấn đề này bằng cách sử dụng indium làm chất trám vào lỗ hổng và sử dụng một hỗn hợp kim loại giúp tạo ra hợp chất nhiệt điện cần thiết trong lò cảm ứng”.

Ông này cho biết thêm: “Nhờ vào cách tiếp cận này, chỉ mất 2 phút để tổng hợp ra vật liệu trên. Hợp chất được tạo ra sẽ được tôi cứng trong 5 tiếng đồng hồ. Hiệu suất nhiệt điện hợp chất, ZT = 1,5, là mức cao kỷ lục đối với các skutterudite sử dụng một dạng nguyên tử “khách” nào đó”.

Theo giới nghiên cứu, các phương pháp chế tạo vật liệu nhiệt điện trước đó tốn kém tiền bạc và thời gian hơn nhiều./.