56,7 милливатт на квадратный сантиметр: японцы научили магнит генерировать ток из тепла

Учёные из Национального института материаловедения Японии совместно с Токийским и Нагоя университетами создали уникальный материал — термоэлектрический постоянный магнит, который показал рекордную эффективность поперечной термоэлектрической генерации. Разработанный модуль выдал плотность мощности 56,7 милливатт на квадратный сантиметр при комнатной температуре, что стало самым высоким результатом в мире среди поперечных термоэлектрических систем и сравнимо с характеристиками коммерческих продольных модулей.

Открытие открывает путь к новым технологиям сбора и управления тепловой энергией, которые можно будет применять повсеместно — везде, где используются магниты. Научная статья с описанием результатов вышла в журнале Energy & Environmental Science.

Большинство современных термоэлектрических устройств работает на основе продольного эффекта Зеебека , при котором электрический ток возникает в том же направлении, что и тепловой поток. Хотя такие устройства могут обладать высокой эффективностью, их конструкция обычно сложна, поскольку требует разделения теплового и электрического контуров.

Альтернативой выступает поперечный термоэлектрический эффект, при котором ток течёт перпендикулярно тепловому потоку. Он даёт возможность упростить конструкцию устройств, но эффективность известных поперечных материалов до сих пор оставалась крайне низкой.

Японские исследователи решили эту проблему, создав многослойный материал с наклонной структурой. Он состоит из чередующихся слоёв магнита на основе самария и кобальта (SmCo₅) и сплава висмута, сурьмы и теллура. Эти слои спечены вместе и разрезаны под углом, что позволило минимизировать электрическое и тепловое сопротивление на границах между ними.

Благодаря такому подходу удалось достичь в сотни раз большей эффективности по сравнению с предыдущими результатами, полученными на магнитных материалах с использованием аномального эффекта Нернста. Новый модуль выдал не только рекордную плотность мощности, но и продемонстрировал, что магниты могут быть основой для высокоэффективной термоэлектрической генерации.

В будущем учёные планируют продолжить разработку материалов на основе термоэлектрических магнитов и создать устройства охлаждения и энергогенерации с ещё более высокой производительностью. Новое направление может стать основой энергоэффективных технологий , сочетающих знакомые материалы с неожиданными возможностями.