Учені-фізики Прикарпатського національного університету працюють в проекті НАТО за програмою «Наука заради миру та безпеки». За два наступні роки науковці мають створити матеріали для пристроїв, які дозволять перетворювати вільну теплову енергію довкілля на електричну.

Термоелектрогенератори знайдуть застосування в різних сферах. Наприклад, будуть використані у сонячних колекторах, що їх виготовляють на виробничому об’єднанні «Карпати». Про особливості «натівського» проекту “ГК” розповів завідувач кафедри фізики і хімії твердого тіла, академік, доктор хімічних наук, професор Дмитро Фреїк.

 

 Енергія з довкілля

У проекті «Термоелектричні матеріали та пристрої для енергозаощадження і підвищення безпеки», який фінансує НАТО, прикарпатські науковці відповідають за частину створення матеріалів для приладів, що генерують електричну енергію з теплової. І навпаки – можуть перетворювати електричний струм на тепло та холод. «Ми почали займатися термоелектричними матеріалами ще в 1968 році – з моїм приходом в інститут після закінчення аспірантури Львівського університету, – розповідає професор Фреїк. – Із розробками термоелектричних матеріалів я познайомився в Інституті фізики  Азербайджанської Академії наук, де була передова і потужна наукова школа. Між іншим, тоді там уже працювали фахівці з Туреччини – вони мали досить серйозні, як на той час, напрацювання».

Тепер вагомі напрацювання у розробці термоелектричних матеріалів мають фізики Прикарпатського університету. Вчені наукової школи доктора Фреїка працюють над створенням альтернативних – автономних – джерел енергії. «В даний час це один із найбільш актуальних наукових напрямів, – відзначає керівник школи. – Подивіться: навколишнє середовище насичене значною кількістю дармової теплової енергії – вона виділяється внаслідок роботи побутових пристроїв, автомобілів, різних промислових установок. Всі вони віддають енергію в довкілля, де вона просто розсіюється. Але ж її можна «вловити» і використати. Дослідження показують, що використовуючи теплову енергію автотранспорту – перетворюючи її на електричну, можна частково замінити пальне та зменшити його використання на 20-25%. Колосальна економія!»

Для такого перетворення – тепла на електричний струм – виготовляють спеціальні пристрої. Термоелектричні генератори на основі напівпровідникових матеріалів. На технології створення напівпровідникових сполук і спеціалізується наукова школа Дмитра Фреїка. «Такі пристрої мають ряд суттєвих переваг і виконують одночасно кілька корисних функцій, – пояснює вчений. – Перелічу їх. Застосовуються для перетворення дармового тепла, яке викидається в довкілля, тобто зменшують «парниковий ефект». Є екологічними – не спричиняють викидів в атмосферу, як це відбувається при вивільненні енергії від згорання будь-якого виду палива. Довговічні в роботі, не мають рухомих частин. Прості в конструкції, що означає здешевлення технології. Мініатюрні, що дозволяє виготовляти невеликі пристрої без втрати потужності. І повністю автономні в роботі». 

Автономні генератори

Термоелектричні генератори працюють таким чином, що при різниці температур відбувається пряме перетворення теплової енергії на електричну. Кожен з нас, людей, також є структурою, яка виробляє енергію і виділяє тепло в довкілля. Відтак реалізуються термоелектричні проекти за участю людей.

Людина вдягає одяг, у який вмонтовані спеціальні матеріали. Фактично він і є генератором, який працює від різниці температур – тієї, яка є в довкіллі, і тієї, яку зберігає тіло людини. Якщо мати додаткове джерело енергії, то такі пристрої – в нашому випадку одяг – можна використовувати зі зворотнім ефектом, тобто як холодильник. «Коли зовнішня температура більша, ніж температура тіла людини, можна пропускати через комплекс – а це людина плюс її одяг – невеликий електричний струм, що створить ефект охолодження. Це дуже важливо, коли людина працює в тяжких умовах спеки», – докладно описує Дмитро Фреїк.

Такі автономні джерела енергії, як термоелектричні генератори, використовують в космічній галузі, на супутниках – в цьому випадку їм немає альтернативи. Так само на транспортні – в поїздах, на кораблях. А також там, куди не можна підвести електрику.

«У нашому регіоні термоелектричні генератори можна використовувати для катодного захисту нафтопроводів від корозійних процесів. Пристрої вироблятимуть невелику постійну напругу, подаватимуть її на труби нафтопроводу, і це перешкоджатиме окисленню», – ілюструє науковець.

Такі альтернативні автономні джерела енергії важливі і для військової промисловості, де вони застосовуються у воєнній техніці. І в побуті, де також знаходять використання. «Це безшумні й екологічно чисті термоелектричні холодильники, – наводить приклад професор Фреїк. – У медицині їх використовують для транспортування і зберігання ліків, вакцин і, що дуже важливо, донорської крові. Також такі пристрої є джерелами енергії у годинниках та інших побутових приладах». 

В науковому полі

Під час виконання українсько-турецького наукового проекту, що його фінансує НАТО, планується розробка нових, значно ефективніших від наявних наразі, термоелектричних матеріалів. А також створення на їхній основі новітніх термоелементів і розробка термоелектричних генераторів для прикладного використання.

Ефективні матеріали мають розробити і створити науковці-фізики Прикарпатського університету. А от виготовлення приладів з цих матеріалів – термоелектричних генераторів і холодильних установок – справа їхніх партнерів, колег-фізиків з Університету Гезі (Анкара, Туреччина). «Мати партнерів з Євросоюзу – такою була неодмінна умова участі в проекті, – пояснює Дмитро Фреїк. – З боку Туреччини проект очолив професор Рашид Ахиска, куратор групи розробників термоелектричних пристроїв в Університеті Гезі».

«Наша група, наш університет мають значні досягнення у технології ефективних термоелектричних матеріалів, – продовжує доктор Фреїк. – Зважаючи на те, що коефіцієнт корисної дії (ККД) термоелектричних приладів залежить від властивостей матеріалів, перед нашими науковцями стоїть завдання знайти саме той матеріал, який забезпечить найвищий ККД. Для цього треба розробити технологію, яка би дозволила створити ефективний термоелектричний матеріал із заданими параметрами. Такими матеріалами є напівпровідники – як композитні та тонкоплівкові структури, так і наноструктури». Потенціал для виконання такої роботи, відзначає професор, у прикарпатських вчених є – в цій темі підготовлено і захищено шість докторських робіт і понад 50 кандидатських. «Хочу відзначити керівника проекту, нашого вихованця, кандидата фізико-математичних наук, доцента кафедри фізики і хімії твердого тіла Любомира Никируя. Він також є керівником Центру з нанотехнологій Міністерства науки і освіти України», – наголошує професор Фреїк.

За словами керівника наукової школи, роботи прикарпатських учених мають міжнародне визнання. Особливо в напрямку наноструктур. «Це структури, що складаються з невеликої кількості молекул. Їх властивості подібні до властивостей окремих атомів, якими можна керувати. Власне ми можемо формувати властивості цих наночастин, які ще називають кластерами, за їхнім складом, розміром і формою. Можемо компонувати ці кластери і отримувати матеріали з наперед заданими властивостями. Це авангард сучасної науки і техніки. Знаємо, що на основі нанокластерів у медицині роблять роботів, які можуть доставляти ліки в клітини людського організму і таким чином впливати на роботу окремих клітин», – розповідає науковець. 

Практична користь

Отже, кінцевим продуктом проекту НАТО мають стати пристрої, які перетворюватимуть теплову енергію довкілля на електричну. Турецька сторона повинна розробити термоелектричні генератори на українських матеріалах для конкретних завдань. Як-от перетворення теплової енергії термальних вод. Чи перетворення теплової енергії сонця. «Для кожного завдання потрібні спеціальні, так би мовити, «свої окремі» спеціально сконструйовані генератори, – розтлумачує Дмитро Фреїк. – Специфіка цього виду автономних джерел енергії в тому, що універсального теплоелектричного генератора бути не може».

Що стосується використання теплової енергії сонця, то цей напрям, виявляється, є особливо перспективним для нашого регіону. Виробниче об’єднання «Карпати» взялося за виготовлення сонячних колекторів. Дзеркальні пристрої фокусують промені сонця на елементи, які нагріваються, і гріють воду – так сонячна енергія перетворюється на теплову. Але можна використовувати тепло сонця ще ефективніше, якщо додатково перетворювати його на електричний струм. «Очевидно, будуть застосовуватися термоелектричні генератори, щоби разом з тепловою енергією сонця отримувати ще й електричну», – каже професор. Домовлено, що виробництвом розроблених за проектом термоелектричних матеріалів займеться франківське ВО «Карпати», а генератори буде промислово виготовляти компанія «TES Thermoelectric Systems Ltd», що в Анкарі.

Участь у такому проекті, який є ексклюзивним для України, допомагає розв’язати проблему фінансування наукових розробок, вважає професор Фреїк. «Якщо говорити про сучасний стан української науки, то, на жаль, вона дуже мало фінансується або не фінансується взагалі, – каже керівник наукової школи. – Це нас, вчених, турбує як патріотів нашої держави. Вважаємо, що участь у міжнародних проектах в тій ситуації, яку зараз маємо в країні, для науковців усіх рівнів є запорукою можливості продовжувати свою роботу».

Програма НАТО профінансує реалізацію українсько-турецького проекту впродовж 2014 та 2015 років на 239 тисяч євро. Для Прикарпатського університету виділять 159 тисяч. «Кошти будуть спрямовані в основному на придбання приладів та апаратури, а це дозволить проводити роботу на високому науковому рівні. Також передбачені стипендії молодим вченим. Фінансуватиметься і напрям розбудови міжнародних зв’язків. При цьому керівники проекту з обох сторін зарплати в ньому не отримуватимуть», – відзначає Дмитро Фреїк.

Як прикарпатським фізикам вдалося запопасти такий проект? «Ніяких зв’язків чи ще чогось такого. Немає і бути не може, – відрубує професор Фреїк. – Наукова комісія НАТО, на якій ми представляли проект, – а це представники 28 держав, що проводять незалежну експертизу, – одноголосно підтримала наші пропозиції. А проект вважається таким, що «проходить», лише в тому випадку, коли усі 28 країн голосують «за». Було подано 40 проектів. Переміг єдиний – наш».

Наталія КУШНІРЕНКО