Зарядить смартфон от костра, повысить КПД двигателя и обеспечить энергией марсоход. Это и многое другое возможно, благодаря термоэлектрическим материалам. Несмотря на то, что работы над ними во всем мире ведутся уже давно, их эффективность по-прежнему крайне мала. В Сколково собираются это исправить.

В 2012 году компания «Метемп», которая и занимается разработкой материалов для прямого преобразования  тепловой энергии в электрическую, стала резидентом Фонда.  О том, какой путь она прошла за это время, и каких успехов достигла, нам рассказал основатель компании – Андрей Воронин.

 

Можете пояснить, что означает «прямое преобразование  тепловой энергии в электрическую»?

В природе существует так называемый эффект Зеебека. В XIX веке человек, по имени которого был назван эффект, заметил, что если соединить два разнородных материала и одну сторону нагреть, а другую охладить, то возникает электродвижущая сила. Если мы замкнем такую цепь – получим электрический ток. В этом случае нет никаких механических этапов преобразования энергии: турбин как в ТЭЦ или АЭС. Ведь если у вас дома горит свет, это значит, что где-то ТЭЦ выработала энергию - нагревалась вода, образовывался пар, что-то вращалось, и генерировался электрический ток.

В нашем же случае все происходит без вращения чего-либо, то есть прямым способом. Все остальные преобразования тепловой энергии происходят через механические составляющие – они не прямые.

Пример. Можно сделать такое устройство: взять котелок, на его нижнюю сторону поместить термоэлектрический модуль и поставить его на огонь. Допустим, мы варим уху на берегу Байкала. А от котелка будет идти проводс интерфейсом USB, который будет заряжать iPhone.

То есть термоэлектрический материал уже существует?

Да, конечно. Материалы, которыми мы занимаемся, находят сейчас, в основном, специальное применение. Тот же марсоход «Curiosity» получает энергию от подобных термоэлектрических материалов, на нем нет солнечных батарей.

А сами материалы уже различаются в зависимости от разницы температур, на которые они рассчитаны.

Мы занимается теми материалами, которые работают на средних и высоких температурах -  порядка 500-900°C. В то время как на рынке подавляющее большинство устройств нацелено на температуру в 100-150°C. В качестве низкотемпературных материалов используется теллурид висмута  - классический материал, изобретенный еще в 60-х годах. С тех пор он практически не менялся и технология его производства уже отработана. Теллурид висмута занимает доминирующее место на рынке как генераторных, так и охлаждающих термоэлектрических материалов.

А у вас уже имеются действующие разработки?

Устройство пока не создано, на текущем этапе мы оптимизируем материал, отрабатываем технологию получения объемных наноструктурированных материалов. Многое получается, играет свою роль уникальная исследовательская база Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».

Рынок устройств существует, и он понятен.Основная проблема - сам материал. Описанный эффект интересен тем, что он не зависит от размерных факторов, можно производить хоть пленки, и они будут работать не хуже,чем большие термоэлементы. Все сводится к свойствам материала. Если он эффективен, то и все устройство будет эффективно. А вот уже без качественного материала КПД устройства никак не увеличишь.

Я вот хоть и сказал, что такие материалы давно существуют и даже используются, но мы с вами почему-то этого не видимв повседневной практике. Это потому, что КПД процесса преобразования энергии крайне низкий – менее 10%. Остаются только узкие области применения, где трудно использовать что-то еще. Или, например, в автомобильном холодильнике, в работе которого используется обратный термоэлектрический эффект Пельтье, но там не требуется сильного охлаждения, поэтому и себестоимость достаточно адекватная для бытового применения.

Так что сейчас вся борьба идет за повышение КПД термоэлектрического материала, как только его повысят, например, фреоновые холодильники будут замещены термоэлектрическими,и мы получим бесшумные, компактные и экологичные холодильники.  Состоится буквально революция на рынке охлаждения, но когда это случится – никто не знает.

Но именно ее вы и приближаете?

Мы нацелены на текущем этапе развития на устройства генерации энергии, мы приближаем другую революцию. Оптимизируем материал для генерации электроэнергии, чтобы люди уже могли это «пощупать». У меня есть мечта или цель, называйте, как хотите, чтобы это применялось не только в космосе или промышленности, но и на бытовом уровне. Чтобы мы, грубо говоря, могли заряжать iPhone от костра, сидя на берегу Байкала. Такой портативный электрогенератор.

Крупные компании уже заинтересовались вами?

С крупными компаниями можно разговаривать, когда есть прототип. Сейчас мы готовим его, но заинтересованность компании проявляют. Например, автопроизводители. Для автомобилестроения это очень перспективное направление, касающееся генераторов для автомобилей. КПД любого двигателя, даже у BMW, не более 30%. Все остальное уходит в тепло. Температура выхлопных газов порядка 700°C, они просто греют асфальт. Немцы и американцы несколько лет назад уже сделали генератор, устанавливаемый на выхлопную систему, вырабатывающий на этом энергию, которая возвращается  обратно в аккумуляторную батарею. Соответственно и генератор крутится меньше, и топливо расходуется более экономно. Но и здесь есть что улучшать.

Электростанции страдают этой же бедой – тепло выбрасывается и его надо как-то собирать. Там, правда, не те температуры, с которыми мы пока работаем.

Кстати, почему мы занялись именно высокими температурами - мы занимаемся материалами на основе кремния и германия (>80% кремния). Кремний, вообще, второй по распространенности элемент в земной коре после кислорода. Например, песок – не что иное, как диоксид кремния. Это дешево. Теллурид висмута, который сейчас составляет основу рынка, содержит теллур, который подорожал в несколько раз за последнее десятилетие, он крайне редкий и он кончается. Вскоре он «умрет». А кремний – он никогда не кончится. Когда кончится Земля, тогда кончится и кремний.

А наша задача как раз сделать дешевый и эффективный материал для высоких температур. Кремний и германий просто не будут работать на низких. Как альтернативу для низких и средних температур мы так же разрабатываем технологию получения термоэлектрических материалов на основе сплавов Гейслера, но это другая история.

Нанопорошок от «Метемп» из которого и получается объемный термоэлектрический материал рядом со Сколковским кирпичиком, вручаемым новым партнерам и резидентам «Сколково»

Какой следующий шаг?

Мы сейчас делаем прототип, подтверждаем свойства материала, заканчиваем регистрацию патента. Это и есть следующий этап.

Кроме того, наша команда стремится поддерживать мировой уровень своих исследований, посещаем много международных конференций, понимаем, кто куда движется, взаимодействуем с иностранными учеными.

Какой видите компанию лет через 5?

Большой, конечно, с экспортом. Хотелось бы сотрудничать с автопроизводителями, чтобы в новых отечественных и не только автомобилях были наши разработки с надписью «Метемп» или «Made in Skolkovo».

Статус резидента Сколково как-то помог вам?

На грант мы пока не подавали, это следующая стадия. Для нее нужно очень четко понимать, на что его расходовать.  А пока мы подружились со своим кластером, их очень интересует эта тема. Резидентов нашего направления, так называемого «energy harvesting», то есть сбора бросовой тепловой энергии,  пока всего трое.

Значит Сколково формирует среду вокруг вас?

Да. На грант мы тоже подадим, конечно. Кроме того мы делаем патентную заявку и Сколково нам очень помогло с этим, там очень хорошая патентная служба.

Чем еще хорош статус резидента… Зная это, к нам сами приходят студенты, интересуются. Хороших активных кадров везде мало, а мы можем их таким образом находить.

Насколько трудно было стать резидентом?

Ну не просто. Пару месяцев только писали заявку. В целом, более полугода у нас это тянулось. В 2011 году я поставил себе задачу подать заявку, в итоге я отправил ее 31 декабря за 3 часа до Нового года. А официально мы стали резидентами только осенью. Повлияли праздники, смена руководства, мы тоже немного протянулис созданием юридического лица. Но главное, что нам удалось это сделать спервого раза, потому что многим отказывают. Там очень серьезная международная экспертиза, я хорошо это знаю. За прошедший год, например, была одобрена только 1 из 9 заявок.

 

А откуда взялась идея стартапа?

Я термоэлектричеством занимался еще на дипломе в Московском институте стали и сплавов (сейчас НИТУ «МИСиС»). Решил не оставаться в институте, пошел на термоэлектрическое производство в Подмосковье, написал там диплом, остался работать на какое-то время, делал материалы, покрытия, вплоть до того, что делал отгрузки конечным потребителям в Японию, Европу и Америку. Это еще довольно редкое для России явление, когда инновационная продукция является экспортной и поставляется в продвинутые страны.

Выработалось понимание рынка, потребностей. Потом был опыт еще одного стартапа. Я участвовал в создании компании, мы прогорели и проект закрылся. Таким образом, был опыт производства, опыт запуска стартапа, потом и «Сколково» подвернулось. Если бы его не было, я бы так и не начал этим заниматься. А тут понеслось – встречи с предпринимателями, понимание инновационной структуры, учеба в Открытом университете Сколково. Я решил попробовать.

То есть инновационная среда все-таки заражает?

Да, когда попадаешь в нее и понимаешь, какие люди здесь находятся.

Есть стереотип, что в России тяжело открыть свое дело. Это правда?

А где легко? Но этим стоит заниматься. Если человек сомневается, то пусть идет работать на кого-нибудь. Сомневаться – это хорошая черта для инженеров, но когда человек думает, что в России нельзя открытьсобственное дело, ему и не стоит этим заниматься. Я с такими людьми стараюсь не общаться, чтобы не тратить время и не демотивировать себя. В этом деле нужны горящие глаза.