Могут ли сплавы с памятью формы использовать тепловую энергию автомобилей?

В эпоху сокращения топливных ресурсов и увеличения стоимости бензина производители автомобилей делают все возможное, чтобы сделать автомобили более энергоэффективными. Но есть одно очевидное место, где энергия просто выбрасывается во время движения автомобиля:это тепло, выходящее из выхлопной трубы.

Первый закон термодинамики говорит нам, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, но это не значит, что определенное ее количество не может стать просто бесполезным. Как правило, бесполезная энергия покидает систему в виде тепла, и в автомобиле большая часть этой потерянной тепловой энергии может быть обнаружена в выхлопных газах. Но что, если бы мы могли преобразовать часть этой тепловой энергии обратно в полезную форму, например, в электричество? General Motors разработала прототип устройства, которое делает именно это, используя сплавы с памятью формы (SMA). SMA — это сплав, который может иметь две разные формы в зависимости от температуры:так называемую форму исходного состояния, когда оно горячее, и второе состояние, когда оно холодное. Перемещайте кусок сплава с памятью формы вперед и назад между горячими и холодными средами, и он будет меняться между этими двумя формами. Ученые уже несколько лет назад поняли, что SMA, выдавленные в провода, могут быть способом производства полезной энергии из тепла, но система GM является первой, которая показала подлинные перспективы в качестве способа выработки электроэнергии в автомобиле.

Чтобы понять, как работает устройство GM, представьте себе систему с тремя вращающимися шкивами, расположенными по углам треугольника. Соединение шкивов представляет собой непрерывную ленту из проволоки из сплава с памятью формы. Если один угол этого устройства шкива поместить рядом с горячей выхлопной трубой автомобиля, а два других угла в более прохладном, лучше вентилируемом месте, лента сожмется в свое более короткое исходное состояние по мере приближения к шкиву в горячем углу. Это сокращение будет тянуть за собой остальную часть ленты, заставляя шкивы вращаться и перемещая большую часть проволоки к нагретому шкиву. Затем вращающиеся шкивы будут тянуть нагретую проволоку SMA обратно в холодную область, где она снова расширится в продолжающемся цикле. Круговое движение, создаваемое шкивами, можно использовать для привода генератора, вырабатывающего электричество, которое, в свою очередь, может управлять автомобильным радиоприемником, кондиционером, электрической розеткой — всем, что требует источника электроэнергии относительно низкого уровня.

По мнению исследователей GM, для перехода этого устройства от стадии прототипа к практическому применению должно пройти около десяти лет, но на пути все еще стоит множество проблем. Придание проволоке SMA ее формы в исходном состоянии является трудоемким процессом — в настоящее время на это уходит около трех месяцев — а усталость металла делает SMA восприимчивыми к поломке после того, как они использовались некоторое время. Существующий прототип GM вырабатывает всего около двух ватт электроэнергии, но исследовательская группа, ответственная за него, считает, что его можно увеличить для практических применений. Конечно, электроэнергия, вырабатываемая фасонными металлическими сплавами, применяется не только в автомобилях, но SMA, вероятно, не станут широко использоваться в качестве средства повторного использования тепловой энергии в ближайшие несколько лет.