Вісник НАН України. 2016. № 11. С. 23-30
https://doi.org/10.15407/visn2016.11.023
АНАТИЧУК Лук’ян Іванович —
академік НАН України, директор Інституту термоелектрики НАН України та МОН України, президент Міжнародної термоелектричної академії
ПРО ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ ТЕРМОЕЛЕКТРИКИ В УКРАЇНІ
За матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України
28 вересня 2016 року
Аннотація:
У доповіді проаналізовано розвиток термоелектрики в Україні та вітчизняні наукові здобутки з цього напряму. Висвітлено роль українських учених у міжнародній науково-організаційній діяльності з термоелектрики. Наведено опис нових підходів теорії термоелектричного перетворення енергії і термоелектричного матеріалознавства, розглянуто ефективність їх реалізації у практичних застосуваннях термоелектрики, насамперед у приладобудуванні, енергетиці, енергозбереженні, медицині.
Ключові слова: термоелектрика, коефіцієнт корисної дії, генератор, кондиціонер, електропровідність, термоЕРС, теплопровідність.
Термоелектрика є пріоритетним напрямом науки і техніки, що інтенсивно розвивається. Термоелектричні прилади широко використовуються в космічній та оборонній техніці, засобах волоконного та радіозв’язку, різноманітних засобах комп’ютерної техніки, у метрології та вимірювальній техніці, спеціальних кондиціонерах. Все ширшим стає використання термоелектрики у медицині та різноманітній побутовій техніці. Завдяки від- сутності рухомих частин термоелектричній апаратурі властиві висока надійність, стійкість до механічних перевантажень та тривалий ресурс роботи. Властивістю термоелектрики є її використання у напрямах, що формують науково-технічний прогрес, тому вона розвивається передусім у провідних країнах світу. Термоелектрика заснована на прямому, безмашинному перетворенні теплової енергії на електричну і на зворотному явищі отримання охолодження від дії електричної енергії. Ці явища реалізуються у відомих термоелектричних ефектах Зеєбека і Пельтьє, відкритих ще на початку ХVIII ст. Однак широке практичне використання термоелектричні ефекти знайшли тільки починаючи з другої половини ХХ ст. завдяки науковим та технологічним досягненням, отриманим насамперед школою академіка Абрама Федоровича Йоффе, уродженця України. А.Ф. Йоффе народився у м. Ромни Сумської області, там здобув середню освіту. Був учнем Рентгена, створив і очолив відомий Фі зи ко-тех ніч ний інститут, що носить його ім’я. В останнє десятиріччя своєї діяльності у 1954 р. заснував і очолив Інститут напівпровідників АН СРСР, у якому в основному займалися термоелектрикою. Тут було закладено основи теорії термоелектрики, термоелектричного матеріалознавства, теорії та технології напівпровідникових термоелектричних приладів (рис. 1). В інституті було встановлено, що для досяг- нення високої ефективності термоелектричного перетворення енергії слід використовувати напівпровідники. Знайдено критерій добротності термоелектричного матеріалу Z; розро- блено методи оптимізації матеріалів шляхом легування електроактивними та ізовалентними домішками; знайдено вирази, якими описються властивості термоелектричних генераторів та холодильників. Рис. 1. Важливі досягнення А.Ф. Йоффе: Z — критерій Йоффе; α — електрорушійна сила; σ — електропровід- ність; κ — теплопровідність; η — коефіцієнт корисної дії; ε — холодильний коефіцієнт; n — концентрація носіїв струму; N — концентрація ізовалентних домішок Ці результати на десятки років випереджали зарубіжний рівень. Свої досягнення Йоффе опублікував у книгах, що були перекладені кількома мовами і стали широковідомими у багатьох країнах світу [1, 2]. Це істотно сприяло розвитку термоелектрики за кордоном. Йоффе сприяв розвитку термоелектрики і в багатьох наукових установах та вишах колиш- нього Радянського Союзу. Серед них і в організаціях України, насамперед Чернівецькому державному університеті. Як наслідок, у 1973 р. тут було відкрито першу у світі кафедру термоелектрики. Це було важливо, оскільки термоелектрика виникла на стику різних дисциплін — фізики твердого тіла, термодинаміки, електрофізики, теплофізики, матеріалознавства та ін. Тому для успішного розвитку цього напряму необхідні були відповідно підготовлені спеціалісти. Підготовка таких спеціалістів дала свої наслідки. У 1980 р. у Чернівцях було відкрито спеціальне конструкторсько-технологічне бюро термоелектричного приладобудування «Фонон». Воно стрімко розвивалося — чисельність його співробітників досягла приблизно 1000 осіб. КБ «Фонон» стало провідною організацією з термоелектрики в країні. За 10 років у ньому розроблено близько 300 термоелектричних приладів, передусім для оборонної техніки. Розвитку КБ «Фонон» істотно сприяли Національна академія наук України і особисто її президент академік Борис Євгенович Патон. У 1986 р. було створено секцію термо-та фото-електричного перетворення енергії НАН України з провідною організацією КБ «Фонон». Секція здійснювала координацію наукової діяльності з відповідних напрямів і сприяла їх розвитку. Завдяки цьому в Україні з’явилося 11 наукових організацій та 13 підприємств, що займалися термоелектрикою. «Центр ваги» в термоелектриці перемістився в Україну. Слід зауважити, що дослідження з термо- електрики і виробництво термоелектричної продукції збереглися і успішно продовжуються у наш час.