Ученые с кафедры химической инженерии Пхоханского университета науки и технологий и кафедры машиностроения Ульсанского национального института науки и технологий (Южная Корея) совместно разработали универсальную вычислительную платформу, способную самостоятельно проектировать наилучшую на сегодняшний день конфигурацию термоэлектрического генератора, производительность которого более чем в 8 раз превышает показатели традиционных конструкций. Соответствующая статья опубликована в последнем номере журнала «Nature Communications» в онлайн-версии.
Несмотря на непрекращающиеся исследования термоэлектрических материалов, в реальных условиях эксплуатации эффективность устройств часто не оправдывает ожиданий. Первопричина заключается в том, что выходные характеристики устройства зависят не только от качества материалов, но и, в еще большей степени, от конструктивного исполнения. Такие факторы, как направление теплового потока, распределение электрического сопротивления, контактные потери и условия нагрузки, должны быть точно согласованы, чтобы полностью раскрыть потенциал системы. Однако традиционное проектирование в значительной степени опирается на интуицию исследователей и метод проб и ошибок, что затрудняет достижение высокой степени синергии множества факторов.
Чтобы преодолеть это узкое место, команда внедрила алгоритм топологической оптимизации. Компьютер отказывается от предустановленных шаблонов и проводит глобальные вычисления непосредственно на основе реальных параметров, таких как тепловая среда, свойства материалов, контактное сопротивление и электрическая нагрузка, автоматически генерируя трехмерную конфигурацию, максимизирующую энергоэффективность.
Конечный результат разительно отличается от традиционных парадигм. В то время как обычные устройства часто имеют удобную для производства прямоугольную форму, алгоритм эволюционировал в такие нетрадиционные геометрические формы, как «I-образная» и «асимметричная форма песочных часов», полностью раздвигая границы человеческой интуиции. Эксперименты подтвердили, что такие конфигурации способны точно регулировать пути теплового потока, увеличивать разность температур на устройстве и максимально подавлять электрическое и контактное сопротивление, тем самым обеспечивая скачкообразное повышение эффективности системы.
Затем команда с помощью технологии 3D-печати воплотила виртуальные проекты в физические объекты и провела реальные измерения. Результаты показали, что эффективность выработки электроэнергии оптимальной конфигурации в 8,2 раза превышает показатели традиционных прямоугольных устройств, а экспериментальные данные хорошо согласуются с прогнозами моделирования, что полностью подтверждает надежность данной платформы и открывает широкие перспективы для эффективной рекуперации отработанного тепла в электроэнергию.
Команда подчеркивает, что последнее достижение выходит за рамки устаревшего «материалоцентричного» подхода и открывает новый путь, ориентированный на реальные условия эксплуатации и повышение производительности за счет дизайна. Эта технология позволяет напрямую вводить условия и одним нажатием генерировать оптимальную структуру без необходимости ручного перебора вариантов. В будущем, при глубокой интеграции с технологиями искусственного интеллекта, границы ее применения и промышленное влияние, несомненно, еще больше расширятся.