Даже в самых экономичных автомобилях около 60% общей энергии бензина теряется из-за высокой температуры в выхлопной трубе и радиаторе. Чтобы бороться с этим исследователи разрабатывают новые термоэлектрические материалы, способные преобразовывать тепло в электричество. Эти полупроводниковые материалы могут перенаправить электроэнергию обратно в транспортное средство и повысить эффективность использования топлива на 5%.
Сложность заключается в том, что существующие термоэлектрические материалы для рекуперации отработанного тепла очень дороги и требуют много времени для разработки. Одному из самых современных материалов, изготовленных из сочетания гафния и циркония (элементы, наиболее часто используемые в ядерных реакторах), потребовалось 15 лет с момента своего первоначального открытия до достижения оптимальной производительности.
В настоящее время, исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Гарварда Джона А. Полсона (SEAS) разработали алгоритм по обнаружению и оптимизированию этих материалов за нескольких месяцев. Этот алгоритм работает путем решения квантовомеханических уравнений без какого-либо экспериментального ввода.
«Эти термоэлектрические системы очень сложны», – говорит Борис Козинский, ведущий автор исследования. «Полупроводниковые материалы должны обладать определёнными свойствами для работы в этой системе, включая высокую электропроводность, высокую термостойкость и низкую теплопроводность, чтобы всё тепло преобразовалось в электричество. Наша цель состояла в том, чтобы найти не просто новый материал, обладающий всеми необходимыми свойствами для термоэлектрического преобразования, но в то же время стабильный и дешевый материал».
Чтобы найти такой материал, команда разработала алгоритм, который может предсказать электронно-транспортные свойства материала только на основе химических элементов, используемых в кристалле. Ключевым аспектом стало упрощение вычислительного подхода к моделированию рассеяния электронов на фотонах и его ускорению примерно в 10 000 раз по сравнению с существующими алгоритмами.
Используя улучшенный алгоритм, исследователи проверили множество возможных кристаллических структур, включая те структуры, что ранее никогда не были синтезированы. Из них Козинский и его коллега Самсонидзе сократили список до нескольких интересных кандидатов. Для них исследователи затем провели дальнейшую вычислительную оптимизацию и направили лучших в экспериментальную команду.
Экспериментаторы, синтезировав лучших кандидатов, предложенных этими расчетами, обнаружили материал, который является таким же эффективным и стабильным, как и существующие термоэлектрические материалы, но в 10 раз дешевле. Общее время от первоначального отбора до рабочего состояния составило всего 15 месяцев.
«За 15 месяцев вычислений и экспериментов мы сделали то, на что потребовалось 15 лет для оптимизации предыдущих материалов», – поделился Козинский. «Что действительно интересно, так это то, что мы, вероятно, еще не полностью понимаем масштабы возможного упрощения процесса. Мы наверняка могли бы сделать этот метод еще быстрее и дешевле».
Учёные надеются улучшить новую методологию и использовать ее для изучения электронного транспорта в более широком объёме новых экзотических материалов, таких как, например, топологические изоляторы (диэлектрики, поверхности которых проводят электрический ток).
