Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1
Рис.2
Рис.3

Углеродное чудо: Новые области использования УНТ

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, Наноазбука

Автор(ы): Ямананева Наталья Валерьевна

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

12 июня 2009

Предлагаем Вашему вниманию самые оригинальные работы конкурса Углеродное чудо, организованного в рамках Третьей Всероссийской Интернет-олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в Будущее" корпорацией Байер (Bayer MaterialScience). Автор: Ямананева Наталья Валерьевна

Новые области использования УНТ (прогноз и его обоснование), The new areas of use CNT (The forecast and its substantiation)

I represent the realistic miniproject on practical use carbon nanotube (CNT) in thermoelectricity manufacture. Hydrocarbon fuel on the Earth on an outcome, mankind actively searches for alternative of oil, to coal and gas. What kind of power will be chosen by the person this century? At each kind is both positive, and negative sides, but clearly one - the efficiency of offered power should be high. Many ways of reception of energy "limp" either on adaptability to manufacture, or on ecological compatibility, and basically and more often - on profitability.

The thermoelectric phenomena — set of the physical phenomena caused by interrelation between thermal and electric processes in metals and semiconductors. The term "thermoelectricity" covers three interconnected effects: thermoelectric effect of Zeebeka and electrothermal effects of Pelte and Thomson. All of them are characterised by corresponding factors, various for different materials.

What is a novelty of the offered project in?

If in a tube from the different ends introduce two different metals, alloy, semiconductor, the got system can work as ordinary thermocouple, I.e. to produce EDS at heating of one end of nanotube and cooling other. To transfer electric power it is possible by those nanotubes. And in the case of application of large number of thermocouples we can generate electricity in the required volumes.

To divide warmly and cold it is possible also with a help CNT - they are already used as heat insulator.

In usual conditions the difference of temperatures can be small, the most important thing, work nanothermocouple can be organised even at night, without light, it is necessary to find lower temperature (air, the earth, other heat-carrier). At efficiency reduction, but increase in quantity of thermocouples, we can equally receive an electricity.

The electric power received with the help nanothermoCNT, will allow to reduce consumption of the electricity received by burning of fossil fuel that in turn and will help to protect a climate.

Renewed energy sources as pledge of a sustainable development of a modern society.

The conclusion

Is possible, my project will allow to solve the most essential problem of mankind – power. Warm and a cold, more truly, a difference of temperatures, will work almost eternally on advantage to people. After all to Thermal death of the Universe it is still far.

Предлагаю реалистичный минипроект по практическому использованию углеродных нанотрубок (УНТ) в производстве термоэлектричества.

Углеводоводородное топливо на Земле на исходе, человечество активно ищет альтернативу нефти, углю и газу. Какой вид энергетики выберет человек уже в этом столетии? У каждого вида есть как положительные, так и отрицательные стороны, но ясно одно - кпд предлагаемой энергетики должен быть высоким. Многие способы получения энергии «хромают» либо на технологичность, либо на экологичность, а в основном и чаще всего - на экономичность.

Самая доступная и бесплатная энергия - солнечная, но она плохо конвертируется в другую энергию – электрическую. Всевозможные варианты превращений солнечной энергии (биотопливо, ветрогенераторы, солнечные батареи) имеют низкий кпд. Водородная энергетика!…Да! – постепенно решаются технологические проблемы - но суть вопроса, откуда брать дешевый водород?- не решена принципиально. Существует еще одна энергия, которой мы пока не уделили внимания – тепловая. Многие скажут, что это разновидность солнечной энергии. Отчасти это правильно … И даже известна тепловая машина, работающая на разнице температур - так называемый двигатель Стирлинга, преобразующий тепловую энергию в механическую. Но мы пойдем немного другим путем.

Немного истории…

История открытия термоэлектрических явлений насчитывает почти 200 лет. Практическое использование они получили только в середине XX века, то есть спустя 130 лет после открытия и в первую очередь благодаря работам советского академика А.Ф. Иоффе. Начало же положил немецкий ученый Зеебек (Seebeck) Томас Иоганн (1770-1831)

Термоэлектричество, термоэлектрические явления — совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. Термин «термоэлектричество» охватывает три взаимосвязанных эффекта: термоэлектрический эффект Зеебека и электротермические эффекты Пельтье и Томсона. Все они характеризуются соответствующими коэффициентами, различными для разных материалов. Эти коэффициенты связаны между собой, так называемыми соотношениями Кельвина. Они определяются как параметрами спаев, так и свойствами самих материалов. В некоторой степени все эти эффекты одинаковы, поскольку причина всех термоэлектрических явлений — нарушение теплового равновесия в потоке носителей.

Эффект Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, составленной из разных проводников (М1 и М2), возникает термоэдс, если места контактов (А, B) поддерживаются при разных температурах. Если цепь замкнута, то в ней течет электрический ток (так называемый термоток IT), причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока (рис. 1).

Величина термоэдс (eТ) зависит от абсолютных значений температур спаев (TA , TB), разности этих температур DT и от природы материалов, составляющих термоэлемент. Термоэдс, получаемая в одном термоэлементе, очень мала. Для получения более значительных термоэдс отдельные элементы часто соединяют термобатареей (рис 2.), так называемый темоэлектрогенератор (ТЭГ). ТЭГ широко применяются в космической технике, где температура «горячей» стороны поддерживается радиоизотопным источником.

Кардиостимуляторы, вживляемые в тело человека, также снабжены ТЭГ с радиоизотопным источником для создания разности температур. Все это существует и развивается.

Но вот пришли нанотрубки…

В чем их изюминка?

УНТ (углеродные нанотрубки) - новый вид материала, они обладают рядом уникальнейших свойств: высокая удельная поверхность, электропроводность, прочность. Электронные свойства нанотрубок можно целенаправленно менять путем введения (этот процесс носит название “интеркаляция”, т.е. “внедрение”) внутрь трубок атомов других веществ, то это может изменить его электрические свойства и даже превратить изолятор в сверхпроводник! А если использовать многослойные нанотрубки? В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости (хиральности) нанотрубки могут быть как проводниками, так и полупроводниками электричества.

В чем новизна предлагаемого проекта?

Если в трубку с разных концов интеркалировать два разных металла, сплава, полупроводника, то полученная система может работать как обычная термопара, т.е. вырабатывать ЭДС при нагреве одного конца нанотрубки и охлаждении другого. «Снимать» электроток можно с помощью тех же нанотрубок. А в случае применения большого числа нанотермопар (что нам мешает применять мегаколичество УНТ?) мы можем генерировать электричество в требуемых объемах.

Разделять тепло и холод можно также с помощью УНТ - их уже используют в качестве теплоизолирующего материала. При использовании таких нанотермопар в космосе вообще проблем с изоляцией может не возникать – на пластинке материала создается огромная разница температур на освещенной и теневой сторонах. Здесь кпд будет самый максимальный! В обычных условиях разница температур может быть небольшой, самое главное, работу нанотермопары можно организовать даже ночью, без света, нужно найти более низкую или высокую температуру (воздуха, земли, другого теплоносителя). При уменьшении кпд, но увеличении количества самих термопар, мы все равно сможем получать электричество в нужном объеме.

Даже зимой можно получать электричество: -на улице -20 о С, в доме +20 о С. Или использовать перепад температур между морозным воздухом и землей на глубине несколько метров: там всегда постоянная температура. Или вода подо льдом… А летом - наоборот! Самое главное - обеспечить подвод и тепла, и холода – создать разницу температур - к обеим поверхностям пластинки с нанотермопарами.

ТЭГ на основе нанотрубок — за и против!

ТЭГ (нано) будет обладать рядом уникальных потребительских свойств, что, в некоторых условиях эксплуатации, делает их просто незаменимыми.


За:
Полная бесшумность
Безинерционность эффекта
Отсутствие движущихся частей
Экологическая безопасность
КПД не зависит от габаритов, УНТ очень маленькие
Конструктивное исполнение практически любого форм-фактора
Способность работать в широком диапазоне температур
Нечувствительность к короткому замыканию
Мгновенная готовность к работе
Минимальные затраты на обслуживание.

Против:
Это будет цена! Вернее, может быть …

Цена продукта складывается из цены нанотрубок. В случае организации массового производства УНТ, на примере концерна «БАЙЕР Материал Сайенс», расчетная годовая мощность их новой установки составит 200 тонн, цена УНТ будет небольшой. Внедрение атомов в УНТ, собственно изготовление нанотермопар, не должно быть трудоемким при современных технологиях.

Германия и ЕС поставили перед собой честолюбивые задачи по защите климата, для чего требуется эффективность и сознательность в вопросах энергопотребления. Существенный вклад в реализацию этих планов призваны внести новые материалы, в частности УНТ. Электроэнергия, получаемая с помощью нанотермоУНТ, позволит уменьшить потребление электричества, получаемого сжиганием ископаемого топлива, что в свою очередь и поможет защитить климат.

Конкуренция-двигатель прогресса…

А какие есть другие варианты проектов по нашей теме?

Создан и испытан наноструктурированный сплав четырех металлов – свинца, сурьмы,серебра и теллура, преобразующий тепловую энергию… прямо в электричество. Это позволит не только использовать тепло, бесполезно рассеиваемое при работе разных устройств, но и получать огромное количество дармовой энергии из лавы и расплавленных пород, из которых почти целиком состоит наша Земля, начиная с глубины в несколько десятков километров.

Цель – такая же, но решение другое, да и как это решить на глубине даже 10 км?

Американские ученые уже сумели пропустить мощные электрические заряды по молекулярным полимерным цепочкам, что является одним из ключевых моментов в создании так называемых “солнечных пластмасс”, которые могут сделать солнечные батареи настолько эффективным источником электричества, что они составят серьезную конкуренцию сегодняшним тепловым электростанциям. Тончайшие пленки, вырабатывающие электроэнергию, можно будет просто наклеить на крышу дома и полностью обеспечить его электричеством.

Решение проблемы – применение пластмасс, но устойчивость полимеров к солнечной радиации не высока… И работать будет только свет.

Заключение

Возможно, мой проект позволит решить самую насущную проблему человечества – энергетическую. Тепло и холод, вернее, разница температур, будут работать почти вечно на пользу людям. Ведь до Тепловой смерти Вселенной еще далеко.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Физическая энциклопедия.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.- Т.2.,5.
  2. Электроника. Энциклопедический словарь.- М.: Советская энциклопедия, 1991.
  3. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.
  4. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников.- М., 1967.-
  5. Вейник А.И. Термодинамическая пара. Минск, 1973
  6. Анатырчук Л.И. и др. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев, 1979
  7. Термоэлектрические охладители. М., 1983
  8. Куинн Т. Температура. М., 1986
  9. Мария Рыбалкина. «Нанотехнологии для всех» Большое - в малом, www.nanonewsnet.ru

Прикрепленные файлы:
yamananeva.doc (88.00 КБ.)

 

В статье использованы материалы: Творческий тур


Средний балл: 10.0 (голосов 2)

 



Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Поверхность наночастиц CeO2
Поверхность наночастиц CeO2

Приглашение на вебинар «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»
НТ-МДТ Спектрум Инструментс приглашает Вас принять участие в бесплатном вебинаре «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»

Наносистемы: физика, химия, математика (2019, том 10, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume10/10-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии,
Уважаемые коллеги! Приглашаем вас принять участие в работе XXI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, который состоится с 9 по 13 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге и станет одним из основных мероприятий Международного года Периодической таблицы химических элементов, провозглашённого ООН в декабре 2017 г.
Проводится под эгидой Международного союза по теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Микроэлементарно, Ватсон: как микроэлементы действуют на организм
Алексей Тиньков
Как на нас воздействуют кадмий, ртуть, цинк, медь и другие элементы таблицы Менделеева рассказал сотрудник кафедры медицинской элементологии РУДН Алексей Тиньков в интервью Indicator.Ru

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2019 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.