Преимущества такой термопары, сделанной из полупроводников с разными примесями, очевидны. В ней холодные концы имеют противоположные заряды: один отрицательный, другой положительный. Как у электрической батареи или у динамо-машины. В термопаре, сделанной не из полупроводников, а из металлов, в обоих холодных концах скапливаются электроны, то есть оба они несут отрицательный заряд и лишь разница в величине этого заряда позволяет получать ток. Разумеется, эффективность такой термопары значительно меньше, чем полупроводниковой.
Применение полупроводников в термоэлементах позволило во много раз повысить их коэффициент полезного действия.
Создано немало конструкций термоэлектрогенераторов — на полупроводниках, но наиболее интересен генератор, построенный недавно в Советском Союзе и получивший название «Ромашка».
«Ромашка» — первая в мире установка, преобразующая ядерную энергию в термоэлектричество. Совместная работа всех ее термоэлементов создает ток величиной в 88 ампер. Правда, мощность установки невелика — всего пятьсот ватт. Но на первых порах главным было не достижение большой мощности, а отработка конструкций, получение данных для дальнейших исследований. Первое испытание атомный термоэлектрогенератор успешно выдержал: он проработал тысячи часов без единой поломки или неисправности.
Предварительная оценка коэффициента полезного действия (к.п.д.) «Ромашки» показала, что он равен нескольким процентам. Еще до создания «Ромашки» специалисты, оценивая будущее термоэлементов как источника электроэнергии, пришли к выводу, что достижение к.п.д. порядка восьми процентов привело бы к революции в малой энергетике, использующей генераторы мощностью до ста киловатт.
Особое внимание ученых привлекают вакуумные, или, как их теперь называют, термоэмиссионные элементы. Представьте себе камеру, из которой выкачан воздух. Внутри ее параллельно друг другу размещены пластины из металла. Одни из них сильно раскалены, другие, отделенные безвоздушным пространством, холодные. Из нагретых пластин в большом количестве вылетают электроны и, совершив перелет в безвоздушном пространстве, оказываются на холодных пластинах. Если горячие и холодные пластины замкнуть внешней цепью, появится ток.
Преимущества вакуумного термоэлемента очевидны: в нем электроны движутся в пустоте и не теряют по пути энергии. Правда, и здесь тепло с горячих пластин переносится на холодные за счет тепловых лучей. Но лучеиспускание горячих пластин можно существенно снизить, тем самым еще больше увеличив к.п.д.
Конструкций вакуумных термоэлементов создано немало, они имеют к.п.д., приближающийся к десяти процентам. Расчеты предсказывают, что его можно увеличить в несколько раз, при этом каждый квадратный сантиметр раскаленных пластин будет отдавать целый киловатт электрической мощности!
Прямое преобразование тепла в электричество с помощью полупроводниковых и вакуумных термоэлементов — это завтрашний день нашей энергетики. Но термоэлементы найдут свое применение не только в производстве электричества. Они станут и его потребителями.
Еще на заре развития учения о термоэлектричестве Пельтье обнаружил, что если пропускать ток через термоэлемент в обратном направлении, то он начнет охлаждаться. Спустя столетие ученые решили использовать это явление для получения холода. Особенно подходящими в холодильниках оказались полупроводники. Применение их позволило советским ученым во главе с А.Ф. Иоффе создать холодильник, в котором температура снижалась более чем на пятьдесят градусов. Недалеко то время, когда на прилавках магазинов появятся портативные, экономичные термоэлектрохолодильники.
Термоэлементы из полупроводников будут устанавливать в квартирах вместо батарей отопления. Зимой они будут обогревать помещения, а летом — охлаждать его. Для этого достаточно лишь изменить на обратное направление тока. Эффективность обогрева при помощи термобатарей будет, как показали расчеты, значительно больше, чем в случае применения электронагревательных спиралей из металлов.
Так ученые представляют будущее термоэлектротехники.
У читателей книги может возникнуть вопрос: возможно ли при помощи термоэлектричества заставить двигаться автомобиль и почему на улицах мы пока не встречаем термоавтомобилей?
Электричество — универсальная энергия, и оно давно уже применяется на транспорте. Трамваи, троллейбусы, поезда сейчас приводятся в движение электродвигателями, потребляющими энергию из электрической сети. Очень заманчиво смонтировать электрогенератор на самой движущейся установке, тогда не нужно будет возводить опоры, и подвешивать над дорогой провода. Принципиально такой генератор тока может быть термоэлектрическим. Тепло сгорающего топлива в нем непосредственно превратится в электрический ток, энергия которого, как это удалось сделать героям этой книжки, заставит двигаться автомобиль.
Но если бы инженеры и конструкторы создали такую установку, она получилась бы менее выгодной, менее экономичной, чем современный автомобиль с бензиновым двигателем. К.п.д. термоэлектрогенератора не достигает пока и десяти процентов, тогда как бензиновый двигатель в несколько раз более экономичен. Вот почему мы пока не встречаем на улицах термоавтомобилей.
Но техника в наши дни развивается стремительными темпами. И, вполне вероятно, придет время, когда новые открытия в области полупроводников позволят создать настоящий термоавтомобиль. Тогда, может быть, появится новая повесть, в которой слова «небольшой художественный вымысел» будут отсутствовать. Это время само собой не придет. Лишь упорный труд ученых и изобретателей, среди которых могут оказаться и читатели этой книги, способен приблизить его. А чтобы быть в числе создателей термоавтомобилей и других интересных и полезных машин, нужно много знать, много учиться.