Тепловые насосы традиционно основываются на термодинамических циклах, в которых рабочее тело отдает/принимает тепловую энергию при сжатии/расширении или конденсации/испарении. Это означает, что в системе присутствует компрессор, шумный и работающий в напряженном режиме, а потому потенциально ненадежный. Насосы без движущихся частей, которые обычно строятся на элементах Пельтье, к сожалению, не могут похвастаться высокой эффективностью. Недаром производители климатического оборудования экспериментируют с разными экзотическими способами теплопереноса, такими как магнитокалорический эффект (нагревание и охлаждение магнитного вещества при изменении внешнего магнитного поля) и эффект памяти формы (основан на мартенситных превращениях кристаллической структуры сплавов).
Американский ученый японского происхождения Йочиро Цуримаки (Стэнфордский университет) предложил кардинально новый подход к построению теплового насоса – релятивистский.
Идея в двух словах. Если взять две пластины, расположить их параллельно друг другу на малом расстоянии (нанометры) и одну из них разогнать до высокой скорости, при лучевом переносе тепла между ними будет происходить смещение спектра тепловых фотонов (изменение частоты электромагнитной волны). Количество передаваемой тепловой энергии будет меняться в зависимости от скорости V, см. рис. 1.
Рис. 1. Допплеровское смещение частоты тепловых волн при лучевом теплопереносе
Энергия фотона определяется частотой электромагнитных колебаний, а для наблюдателя на неподвижной (нижней) пластине принятая частота окажется не равной излученной: ωf > ω > ωb. Йочиро Цуримаки показал, что благодаря допплеровскому смещению тепловой поток, излучаемый движущимся телом по направлению его движения, с увеличением скорости экспоненциально нарастает. А тепловой поток, излучаемый движущимся телом против направления его движения, с увеличением скорости экспоненциально подавляется.
Как отмечает ученый, в идеале желательно обеспечить преимущественное излучение тепловой энергии вдоль направления движения пластины, но даже если этого не делать, результатом станет перенос тепла от холодного тела к теплому, то есть структура заработает как тепловой насос. Рассказ Йочиро Цуримаки (на английском языке) вы сможете посмотреть на видео.
Таким образом, необходимо разогнать теплоисточник относительно теплоприемника до релятивистских (сравнимых со скоростью света) скоростей. На практическую возможность реализации эффекта указывает американское исследование плазмонов в графене (см. научную статью). Графен, по которому идет электрический ток, во многом ведет себя как быстро движущаяся структура. Это объясняется высокой групповой скоростью (десятки и сотни километров в секунду) фермионов Дирака, образующихся на поверхности графена. Чтобы запустить это движение, нужно приложить к графеновому листу постоянное напряжение, см. рис. 2.
Рис. 2. Два листа графена, находящиеся на малом расстоянии (порядка 10 нм) друг от друга, образуют тепловой насос
Согласно расчетам Йочиро Цуримаки, коэффициент производительности графенового теплового насоса может доходить до трех. То есть, условно говоря, на один милливатт потраченной электрической энергии будет приходиться три милливатта перекачанной тепловой энергии.
Графеновый тепловой насос имеет смысл изготавливать с помощью планарных микроэлектронных технологий на пластине (кремниевой, сапфировой или стеклянной), соединяя отдельные тепловые нанонасосы параллельно для повышения мощности и последовательно для повышения разности температур.
Идущие в США работы по внедрению идеи Цуримаки засекречены. Но очевидно, что его устройство способно обеспечить эффективный отвод тепла от микропроцессоров. Кроме того, благодаря плоской структуре и хорошей управляемости электрическим током релятивистский тепловой насос можно применять в скафандрах и различных технических устройствах, которые требуют точного контроля внутренней температуры (термостатирования). Если же организовать массовое производство релятивистских теплонасосов, в какой-то момент они могут оказаться достаточно дешевыми для бытового применения.
