Эволюция электростанций – металл на смену пару
В случае если посмотреть на современные электростанции – будь то ядерные АЭС либо же солнечные фабрики – окажется, что большая часть из них в производстве энергии надеются на воду, правильнее, процессы ее нагревания, конденсации и испарения. В этом вопросе они неподалеку ушли от паровых автомобилей, история которых, как нам известно, началась еще в 1765м году.
Как раз тогда Джеймсу Ватту в первый раз удалось досконально изучить процессы получения энергии из нагретой воды. Сейчас и солнечная энергия, и энергия радиораспада делает все ту же функцию – кипятит воду, которая, испаряясь, поворачивает турбину, создавая столь желанное нам электричество.
Из-за чего употребляется как раз вода? Это дешево; в ходе парообразования вода поглощает массу «скрытой теплоты»; возрастая в количестве и проходя через лопасти турбины, она создаёт большое количество энергии; и, наконец, остывая, легко конденсируется обратно в жидкость, не требуя дополнительных энергетических затрат для возвращения совокупности в исходное состояние.
Тепло в электричество
В следствии проведения в 1824м году Николя Леонара Сади Карно фундаментального изучения (работа именовалась «Размышления о движущей силе огня и о автомобилях, талантливых развивать эту силу») механики обучились руководить процессами конденсации и кипения воды при помощи «фазовой изменении» между газом и жидкостью. Оказалось, что дополнительный нагрев воды на определенном этапе цикла и предотвращение теплообмена на вторых этапах в конечном счете разрешает исследователям извлекать из пара намного больше энергии. Это открытие разрешило создать самый энергоэффективный, «совершенный цикл», математическое понятие которого Карно тогда же и ввел (наравне с другими главными понятиями термодинамики).
«конденсация и Закипание воды требует наличия массивных сосудов теплообменников и высокого давления для ее содержания» — пояснил исследователь из университета Миннесоты Ричард Джеймс.
Джеймс и его исследовательская команда решили заменить фазовый переход, который связан с конденсацией и кипением воды, совсем иным. Они исследуют возможность применения для производства энергии семейства железных сплавов (своеобразной смеси разнообразных элементов) называющиеся «мультиферроики».
Мультиферроики
Мультиферроики – вещества, владеющие как минимум двумя из трех особенностей «ферроиков»: ферромагнетизмом (свойство к самопроизвольному (спонтанному) намагничиванию, как у металлического магнита), сегнетоэлектричеством (свойство к спонтанной поляризации) или ферроупругостью (свойство к спонтанной деформации). Естественный пример проявления ферроупругости возможно замечать на протяжении фазового перехода, в то время, когда одна кристаллическая структура неожиданно деформируется, сменяясь второй – так называемый мартенситный фазовый переход (превращение).
Мысль команды Джеймса содержится в том, дабы вместо фазового перехода вода-пар применять мартенситный фазовый переход, являющийся природным свойством некоторых мультиферроиков. Применяя математическую теорию мартенситных фазовых превращений, созданную при помощи Национального научного фонда, исследователи нашли метод систематичного регулирования состава мультиферроиков, дающий возможность включать и выключать фазовую изменение.
В простой ситуации проявлению свойства металла к подобному переключению фаз мешает такая его черта, как «гистерезис» (запаздывание), несущая ответственность за время, нужное чтобы изменение магнитных особенностей металла «догнало» фазовый переход. В случае если данный временной промежуток через чур велик, то переключение фаз для данного металла не представляется неосуществимым.
Эволюция сплавов
«Главная мысль в том, дабы руководить составом сплава так, дабы две кристаллические структуры идеально доходили друг другу», — делится премудростью Джеймс. – «Затем величина гистерезиса фазового перехода очень сильно значительно уменьшается, и он [фазовый переход] делается в значительной мере обратимым».
Но и с возникновением первых сплавов с низким гистерезисом выбранная методика опиралась не более чем на теоретические измышления. «Чтобы убедиться, что гистерезис снизился до ожидаемого уровня, нам было очень нужно самим заметить совершенное сопряжение отрегулированных сплавов», — пояснил ученый.
К исполнению данной работы Джеймс привлек Ника Шриверса (Nick Schryvers), сотрудника лаборатории Электронной микроскопии для материаловедения (EMAT) Университета Антверпена в Бельгии (известного центра по изучению фазовых превращений посредством электронной микроскопии). Исследование продемонстрировало совершенное соответствие поверхностей раздела двух фаз.
Гейслеровы сплавы
Для продолжения развития концепции исследователи забрали семейство сплавов, названных гейслеровыми. Особенность этих сплавов в том, что они владеют магнитными особенностями, несмотря на отсутствие таковых в составляющих их металлах.
Названное в честь германского горного инженера Фридриха Гейслера, что первым увидел эту особенность за сплавом Cu2MnSn (медь, олово и марганец – не магнетики), семейство сплавов владеет сильно выраженной склонностью к проявлению магнетизма. Как заметил Джеймс, мартенситный фазовый переход кроме этого имеет к ним самое яркое отношение.
Трудясь в группе Джеймса, научный сотрудник Vijay Srivastava применил созданную методику с целью достижения низкого гистерезиса на практике, систематически изменяя состав сплава Гейслера Ni2MnSn и взяв в следствии Ni45Co5Mn40Sn10¬.
«Ni45Co5Mn40Sn10 — весьма примечательный сплав», — говорит Джеймс. – «Низкотемпературная фаза немагнитна, а вот высокотемпературная фаза есть сильным магнитом, практически столь же сильным, как железо при той же температуре». Исследователи на данный момент же сообразили, что таковой сплав сможет делать ту же функцию, что на сегодняшних электростанциях делает вода.
«В случае если окружить сплав маленькой катушкой и нагревать ее при помощи фазовой изменении, неожиданное изменение намагниченности индуцирует в катушке ток», — пояснил Джеймс. – «В ходе сплав поглощает некое количество скрытой теплоты. Тепло трансформируется конкретно в электричество».
Революция электростанций
Возможно использование разработки может иметь очень далеко идущие последствия. Электростанциям больше не необходимы будут массивные резервуары большого давления, теплообменников и системы труб, используемых сейчас для нагрева и подачи воды.
Потому, что температуру перехода возможно настраивать в довольно-таки широких пределах, концепция выясняется применима к целому последовательности имеющихся на Земле источников тепла, характеризующихся малой отличием температур. Джеймс, но, заглядывается на океанские просторы с их разнотемпературными поверхностными и глубинными водами.
Вместе с Доктором наук Кристофером Лейтоном (Christopher Leighton) из Университета Миннесоты исследователи кроме этого изучают возможности создания тонкопленочных предположений прибора. При таких условиях они имели возможность бы употребляться прямо в микросхемах компьютера для преобразования отходного тепла в электричество с последующей зарядкой батарей.
Джеймс выделил, что это лишь один из множества способов применения мартенситного фазового перехода для сохранения энергии. Согласно его точке зрения, не считая магнетизма имеется еще множество физических особенностей, разных для двух различных фаз и возможно пригодных для производства электричества из тепла. Какие конкретно из них окажутся самые подходящими, и разработка каких концепций для этого пригодится, ученым предстоит еще узнать.
Источник: Physorg
