Полупроводниковая энергетика

В 1821 г. было открыто термоэлектричество, в 1834 г. - перенос электрическим током тепла и холода. Более ста лет прошло, пока эти явления перешли из учебников физики в электротехнику. Последняя долгое время знала только металлы, практически непригодные для термоэлектричества, - они могут вызывать охлаждение максимум на 5-6°, а в электроэнергию превращать не более 1-2% тепла.

Полупроводники резко изменили положение дела. Они вызывают охлаждение на 70° и превращают в электроэнергию 8% тепла. В перспективе видится использование высокотемпературных источников тепла с коэффициентом полезного действия полупроводников 30-70%. Полупроводниковые термоэлементы не требуют вращающихся механизмов - турбин или динамо-машин. Проходящие сквозь них потоки тепла превращаются непосредственно в электроэнергию.

Если учесть, что в современных электростанциях удается достигать КПД 30-40%, станет ясно, что значат перспективы применения термоэлементов. Особый интерес они представляют для решения проблемы использования энергии Солнца. Поток солнечной энергии, получаемой земным шаром, в миллион раз больше всей той электроэнергии, что вырабатывается на Земле. Если бы полностью использовать солнечные лучи, падающие на участок бесплодной пустыни площадью 10 тыс. км², можно было бы снабжать электроэнергией все человечество. Эту задачу могли бы выполнить полупроводники. Разумеется, при этом возникло бы много трудностей. Например, встал бы вопрос: как скопить энергию на ночь и в расчете на пасмурные дни и т. п.? Все эти сложные технические задачи могут быть решены.

Полупроводники незаменимы в космических полетах. На первый план здесь выступает как раз превращение с их помощью солнечной энергии в электрическую.

Длительное функционирование орбитальных научных станций типа "Салют" поставило перед учеными и конструкторами новые задачи. Среди них первостепенное значение приобретает развитие космической энергетики.

"Обеспечение полетов космических кораблей, искусственных спутников Земли, орбитальных и межпланетных станций требует затраты значительных количеств электроэнергии,- рассказывает член-корреспондент АН СССР, Герой Социалистического Труда Н. С. Лидоренко. - Она нужна для питания разнообразного оборудования, осуществления радиосвязи с Землей, передачи телеметрической информации. Наиболее распространенный метод получения электроэнергии на борту космических аппаратов - с помощью солнечных электростанций. Состоят они, как правило, из первичного основного генератора - полупроводниковых преобразователей солнечной энергии - солнечных батарей, системы автоматики, химического накопителя, запасающего выработанную первичным генератором энергию и отдающего ее по мере необходимости.

За время, прошедшее с 1958 г., когда первая советская солнечная батарея успешно функционировала на третьем искусственном спутнике Земли, в области прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей достигнут определенный успех. Развитие технологии полупроводниковых материалов, получение новых полупроводников широкого класса с высокой степенью очистки от примесей, успехи теории физических процессов позволили увеличить КПД преобразователей.

В космосе фотопреобразователи должны удовлетворять жестким.и подчас противоречивым требованиям, и прежде всего поглощать максимальное количество световой энергии, но не "перегреваться", ибо с ростом температуры их КПД падает. Фотопреобразователи противостоят потокам корпускулярного излучения, действию частиц высоких энергий. Вот почему они должны быть радиационно стойкими. И в то же время вес солнечных батарей должен быть минимальным".

Полупроводниковые термоэлементы, а может быть, и фотоэлементы позволят непосредственно превращать ядерную энергию в электрическую. Современный длинный и громоздкий путь такого превращения посредством нагрева и перегрева водяного пара с помощью турбины и динамо-машины находится в кричащем противоречии с концентрацией энергии в ядерных источниках.

Слой термоэлементов, обволакивающий урановый стержень и превращающий выделяемую им энергию непосредственно в электричество, - такова картина одного из удачных технических решений энергетических проблем будущего. Конечно, в осуществлении такого решения немало трудностей. Как, например, предохранить термоэлементы и фотоэлементы от разрушающего действия ядерных излучений? Над этим и над многими другими проблемами работают советские физики и энергетики.

Итак, термоэлемент создает электрический ток, пока между его электродами поддерживается разность температур и идет поток тепла. Но если через термоэлемент пропустить электрический ток, возникнет разность температур. Электрический ток станет переносить поток тепла, охлаждая электрод. Изменив направление тока, мы меняем местами охлаждение и подогрев. Это замечательное свойство термоэлемента открывает полупроводникам широкую область применения.

Для хранения и перевозки скоропортящихся продуктов нужен холод. До сих пор для его создания пользовались системой компрессоров, приводимых в движение электродвигателями, или получали его путем перегонки аммиака и жидкостей. С помощью полупроводниковых термоэлементов те же цели достигаются простым пропусканием тока. Следует учесть ничтожные размеры полупроводников. По расходу электроэнергии они в данном случае могут быть поставлены между компрессорами и жидкостями.

Используя замечательное свойство полупроводниковых термоэлементов - переходить от охлаждения к нагреву с помощью простого переключения тока, - можно снабжать помещения теплом зимой и холодом летом, автоматически поддерживая желаемую температуру круглый год.

Получаемое от коров молоко имеет температуру 35°. Летом, в особенности на юге, оно быстро скисает. Если же, вытекая из доильного аппарата, оно попадает на термоэлектрическую батарею, то стекает с нее уже при температуре 3-5°. Такой полупроводниковый прибор изобретен коллективом Агрофизического института.

Над проблемами широкого применения полупроводников в технике работают многие научные коллективы СССР. Всем известны полупроводниковые радиоприемники размером в спичечную коробку. Созданы миниатюрные радиоприборы на полупроводниках, докладывающие о состоянии больного, аппараты размером в одну десятую миллиметра, распознающие характер процессов, протекающих в организмах растений и животных, электронно-счетные машины, в колоссальной мере облегчающие труд и в десятки тысяч раз повышающие его производительность.