Владимирский школьник получил опыт в создании термоэлектрогенератора на слабоинтенсивных радиоактивных источниках

Самый далекий рукотворный космический аппарат — «Вояджер-1» — путешествует уже более сорока лет и находится сейчас на «задворках» Солнечной системы. Несмотря на это, он до сих пор высылает на Землю результаты своих измерений интенсивности солнечных и галактических космических лучей (см. рисунок с сайта NASA). Какой же источник питания использует аппарат, настолько удалившийся от света Солнца? Можно ли создать что-то подобное в обычных условиях?

Александр Хламов, учащийся 11 класса МАОУ СОШ № 36 г. Владимира. В технопарке "Кванториум-33" обучается в промробоквантуме у наставника Романа Россолова.

 

Размышления на эту тему подтолкнули кванторианца, ученика 11-класса МАОУ СОШ № 36 г. Владимира Александра Хламова к научно-исследовательскому эксперименту по разработке особого термоэлектрогенератора (ТЭГ).

По словам Александра, его всегда интересовали источники энергии как таковые. Еще в 10 классе он решил сделать источник питания на основе перепада температур. Элементы Пельтье он заказал в Китае. Но посылка не пришла.

«Пришлось выкручиваться. У папы был ненужный кулер для воды. Из него я вынул элемент Пельтье, который охлаждал воду. На макете (см. фото 1 – ред.), который я сделал для демонстрации эффектов Зеебека (когда тепловая энергия преобразуется в электрическую – ред.) и Пельтье (когда электрическая энергия преобразуется в тепловую – ред.), под элементом Пельтье расположен радиатор, чтоб не перегреть элемент. Под радиатором свеча как источник тепла», - рассказал школьник.

Результат, по словам Саши, оказался «не очень»: «Эффект мог бы быть лучше, потому что из-за «товарищей китайцев» у меня был всего один элемент вместо шести, которые я заказывал». Тем не менее, с использованием преобразовательной схемы с 1 вольта на 5 вольт смартфону все-таки хватило мощности для зарядки. Для демонстрации обратного эффекта — преобразования электрического тока в тепло, он установил преобразователь напряжения с 220 вольт на 12 вольт. В создании макета прототипа ТЭГ школьнику помогал его учитель физики Юрий Иванович Малафеев.

 

Фото 1. Термоэлемент находится на деревянных брусках. Под ним радиатор и свеча.

Вот с этим багажом практических знаний Саша подошел к следующей проектной работе, которая наметилась благодаря периоду самоизоляции.

В мае и в июне 2020 года, когда самоизоляция была в разгаре и большинство школьников учились дистанционно, Александр и его одноклассник Владислав Скоб приняли участие в дистанционном практикуме по ядерной физике, который был организован детским технопарком «Кванториум-33» совместно с НИИЯФ МГУ. Так организаторы практикумов, ранее проводившихся очно на физическом факультете МГУ, решили в сложное время поддержать учащихся 10 и 11 классов школ Владимирской области, увлеченных физикой. Причем если раньше во время очной экскурсии-семинара ребята успевали сделать лишь одну лабораторную работу по физике атомного ядра, то в дистанционном формате оказалось возможным выполнить сразу четыре практических работы («Спонтанное деление ядер калифорния-252», «Альфа-радиоактивность», «Бета-радиоактивность» и «Гамма-радиоактивность»). Ребята занимались раз в неделю в течение месяца. У организаторов появилась возможность «нагрузить» работы большим теоретическим анализом процессов, происходящих в ядре. Обработку дистанционных экспериментов школьники проводили в электронных таблицах.

По завершении практикума Александр обратился к сотрудникам лаборатории общего и специального практикума НИИЯФ МГУ с просьбой в качестве проектной работы испытать эффективность своего термоэлемента на основе тепла, выделяемого при радиоактивном распаде. Проект получил название: «Оценка эффективности радиоизотопного термоэлектрогенератора на малоинтенсивных радиоактивных источниках».

Если немного посмотреть на историю науки, то эффект тепловыделения при радиоактивном распаде был обнаружен более ста лет назад. Вот что пишет об этом Мария Кюри в воспоминаниях о Пьере Кюри: «Еще удивительнее было открытие выделения радием тепла. Без малейшего внешнего изменения это вещество выделяет каждый час количество тепла, достаточное для расплавления льда равной массы. Если защитить радий от внешних потерь тепла, то он нагревает себя. Его температура может подняться на 10 градусов и выше в сравнении с температурой внешней среды. Это был вызов всему существовавшему научному опыту».

Обсудив идею, школьники и взрослые вместе пришли к выводу, что самые перспективные с точки зрения энерговыделения - это источники альфа-излучения. Альфа-частицы целиком поглощаются в керамическом наружном слое термоэлемента, оставляя в нём всю свою энергию. Источником альфа-излучения стал изотоп плутония-238.

Но организаторы эксперимента решили только на нём не останавливаться, а проверить воздействие на ТЭГ источника другого вида спонтанного излучения (электронного, или бета-излучения) – им стали ядра стронция-90. Поначалу были сомнения в результате. Дело в том, что возникающие в результате цепочки бета-распадов ядер-излучателей электроны, как более проникающее излучение, поглощались бы во всем объеме термоэлемента, и потому этот тип излучения казался неподходящим, потому что при поглощении электронов нагревался бы и «горячий», и «холодный» слои ТЭГа. Однако Александр предложил остроумное решение, которое физики потом оценили по достоинству — использовать в качестве поглотителя радиатор, а толщину радиатора взять равной пробегу электронов бета-излучателя в алюминии.

Для начала Александр вместе с Владиславом провели теоретическое исследование. С помощью справочных данных карты атомных ядер (ссылка) ребята оценили энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде источников плутония-238 и стронция-90 активностью 40 кБк (килобеккерелей). Значения получили весьма скромные — сотые доли джоуля.

Взаимодействие с физиками НИИЯФ шло дистанционно во всех смыслах: ребята еженедельно выходили с ними на связь и обменивались посылками. Сначала школьники отправили в Москву свой китайский термоэлемент. В лаборатории его проверили «в связке» с четырьмя альфа-источниками суммарной активностью свыше 150 кБк. Но напряжение, выдаваемое термоэлементом, было на уровне шумов. В данном эксперименте также использовался плутоний-238 (тот же изотоп, что и в ТЭГах космических аппаратов «Вояджер»), но в ТЭГах «Вояджера» плутония-238 десятки килограмм, а в лабораторных источниках - меньше микрограмма...

 

Фото 2. Термоэлемент на слое термоплекса. Рядом находятся четыре альфа-источника.

Это измерение проводится для сравнения.

 

Фото 3. Элемент над источниками альфа-излучения. Изменение напряжения на уровне шумов прибора.

Затем под радиатор термоэлемента был помещен источник стронция-90 активностью 0,8 МБк. К сожалению, и в этом случае напряжение было на уровне шумов. К тому же, рассеянные электроны и гамма-кванты при этом создавали вокруг ТЭГа радиационный фон на уровне 70 мкЗв/ч (в 200 раз больше фонового значения). Фактическое отсутствие выходного напряжения обескураживало, но оставалась надежда. Возникло предположение, что термоэлемент из кулера для воды частично выработал свой ресурс, и поэтому небольшое тепло, выделяемое на горячем электроде, создает разницу потенциалов значительно меньше милливольта.

Было принято решение заказать два отечественных ТЭГа в Санкт-Петербурге (при подготовке теорчасти проекта школьникам часто попадались интересные научно-популярные статьи (пример), написанные сотрудниками фирмы «Криотерм», потому выбор в итоге пал на неё). Были заказаны два одинаковых термоэлектрогенератора, сходные по габаритам с тем, что испытывался раньше. Кроме испытания с нагревом горячего электрода радиоактивными источниками, один ТЭГ планировали подвергнуть воздействию проникающей весь его объем радиации, а второй для сравнения оставить нетронутым. Таким образом предполагалось оценить радиационную стойкость ТЭГа.

Питерские ТЭГи при облучении альфа-источниками также не показали заметного изменения выходного напряжения (см. фото 2 и 3). Причиной неудачи оказался КПД (такое важное понятие в энергетике!) термоэлементов. Конечно, КПД выше 3% - это революционно много в сравнении с коэффициентом преобразования теплоты в электрическую энергию первооткрывателем Зеебеком в первой трети 19-го века (у него было около 2,5 % при разности температур в 300°С), но для тепла, выделяемого слабыми радиоактивными источниками, эта характеристика оказалась фатальной.

Рис. 1. Паспорт питерских термоэлементов

Для проверки радиационной стойкости один из элементов в лаборатории общего и специального практикума в течение нескольких дней облучали источником стронция-90 активностью 0,8 МБк. Затем термоэлементы были отправлены во Владимир для проверки.

Александр сравнил напряжение, выдаваемое каждым из термоэлементов при одинаковых перепадах температур. Для этого сначала помещал «горячую» сторону каждого ТЭГа на батарею, а на «холодной» стороне держал замороженные в морозилке овощи. Оба элемента показали близкие значения напряжения. Это означало, что проведенное облучение несущественно изменило характеристики ТЭГа.

В завершение эксперимента Александр Хламов собрал из «новых» термоэлементов батарею и измерил выдаваемое ею напряжение, сравнив потом его с характеристиками первого макета. Оказалось, что два собранных воедино элемента способны выдать напряжение – но, правда, с повышающим устройством – в размере 2,75 В. Этого с успехом хватило на то, чтобы зарядить светодиодный фонарик. Школьник на опыте убедился, что термоэлектрогенератор способен вырабатывать «неплохой» ток даже при нагреве свечой. А вот малое количество тепла при радиоактивном распаде вещества – это следствие его малого количества.

Обратите внимание на особенности работы Александра Хламова и Владислава Скоба:

  • самостоятельная постановка задачи;
  • во время школьных каникул;
  • хорошая инженерная идея (радиатор — и рассеиватель тепла, и поглотитель электронов);
  • в некоторых случаях нужный эффект отсутствовал, что полезно в плане получения опыта по принципу «нулевой результат - тоже результат»;
  • настойчивость в поиске подходящих ТЭГов.

Результаты этой работы были направлены на Всероссийский конкурс просветительских лекций «Школьная наука».

Другие новости

Областной детский технопарк «Кванториум» поддерживает Центры «Точка роста», созданные в рамках нацпроекта «Современная школа»

29 декабря методист детского технопарка «Кванториум-33» Екатерина Беляева провела вебинар для учителей Андреевской СОШ № 30 Александровского района. В ходе вебинара были затронуты вопросы проектирования учебного материала, направленного на формирование личностных результатов обучающихся.

Команда аэроквантума вошла в число победителей «Кванториады»-2020

26 декабря стали известны результаты финального этапа «Кванториады» - всероссийских инженерных соревнований школьных команд. В этом году соревнования были организованы по семи трекам («Космическая удаленка», «Беспилотный анализ», «Безопасное передвижение», «Идеальный компонент», «Пунктуальный пациент», «Краундсорсинг», «Соблюдай дистанцию»), но, даже учитывая этот факт, в целом задания треков были посвящены теме пандемии.

Учащиеся мобильного технопарка «Кванториум» уже начинают реализовывать свои проекты

Их «сельские» кванторианцы успели придумать всего за три месяца

Все проекты школьников, обучающихся в рамках программ дополнительного образования в мобильном технопарке «Кванториум», ориентированы на решение реальных проблем.

Итоги работы второго мобильного технопарка «Кванториум» в 2020 году можно предварительно оценить как успешные

Проект технопарка «на колесах» реализуется во Владимирской области с 2019 года в рамках подпроекта “Успех каждого ребенка” нацпроекта “Образование”

Вы можете ознакомиться с образовательными направлениями в технопарке "Кванториум-33"

Если вы еще пока не определились с выбором направления обучения (или с выбором педагога), вам может помочь новый видеоролик технопарка «Кванториум-33»

Детский технопарк «Кванториум-33» в рамках инженерных каникул организует серию онлайн-мероприятий для школьников области

Интеллектуальный марафон начнется 21 декабря и продлится по 30 декабря 2020 года. Самому результативному участнику будет вручен подарок.

23 декабря 2020 г. на онлайн площадке состоялся всероссийский форум руководителей, педагогов и специалистов сферы дополнительного образования детей естественнонаучной и технической направленностей «Дополнительное образование в интересах устойчивого развит

Форум был организован Федеральным детским эколого-биологическим центром и посвящен ключевым вопросам нацпроекта «Образование» в сфере дополнительного образования детей естественнонаучной и технической направленностей.

23 декабря 2020 г. на онлайн площадке состоялся всероссийский форум руководителей, педагогов и специалистов сферы дополнительного образования детей естественнонаучной и технической направленностей «Дополнительное образование в интересах устойчивого развит

Форум был организован Федеральным детским эколого-биологическим центром и посвящен ключевым вопросам нацпроекта «Образование» в сфере дополнительного образования детей естественнонаучной и технической направленностей.

18–20 декабря в Твери прошла образовательная сессия для руководителей детских технопарков «Кванториум» и центров «IT-куб»

На площадке тверского детского технопарка прошло одно из ключевых событий для сетей образовательных организаций, созданных в рамках нацпроекта «Образование» — сессия для руководителей. На протяжении трех дней участники синхронизировались по основным организационным и содержательным вопросам. Организатор сессии — федеральный оператор сети – подразделение ФГБОУ ДО «Федеральный детский эколого-биологический центр», отвечающее за развитие дополнительного образования технической направленности.

Среди учащихся школьных групп в технопарке «Кванториум-33» два победителя и больше десяти призеров предметных школьных олимпиад

С сентября 2020 года технопарк «Кванториум-33» значительно расширил сотрудничество с образовательными организациями города Владимира. Теперь к учащимся Промышленно-коммерческого лицея, которые занимались в течение всего 2020 календарного года, добавились еще и другие школьники. Обучение в рамках нового школьного предмета «Проектная деятельность» начали учащиеся 10 классов двух школ города Владимира - МАОУ СОШ № 36 и МАОУ СОШ № 37. Ребята занимаются по направлениям «Промышленная робототехника», «Аэротехнологии», «Биоквантум», «Медиаквантум». У себя в школе это дети, как правило, из профильных классов (медицинских и физико-математических), по словам учителей, мотивированные на получение знаний.

Сотрудник «Кванториума-33» защитила региональный проект в рамках обучения, организованного фондом Сбербанка «Вклад в будущее

15 декабря 2020 года состоялись защиты проектов региональных участников образовательного курса, организованного благотворительным фондом Сбербанка «Вклад в будущее». Владимирскую область представляла методист детского технопарка «Кванториум-33» ГАОУ ДПО ВО ВИРО, кандидат педагогических наук Екатерина Беляева.

Педагог промробоквантума детского технопарка «Кванториум-33» Андрей Коршунов отмечен благодарственным письмом Министерства просвещения РФ

В рамках VII Всероссийского съезда работников дополнительного образования (он проходил в дистанционном формате 14 и 15 декабря 2020 года) была проведена церемония награждения наиболее отличившихся наставников. Одним из них стал педагог детского технопарка «Кванториум-33» по направлению «Промышленная робототехника» Андрей Коршунов.

Региональный опыт работы с детьми с ОВЗ представлен на всероссийском форуме

8 декабря 2020 года методист детского технопарка «Кванториум-33», кандидат педагогических наук Екатерина Беляева приняла участие во всероссийском вебинаре «Лучшие региональные практики дополнительного образования для детей с ОВЗ и инвалидностью». Её доклад на тему «Использование современных информационных технологий в дополнительном образовании детей с ОВЗ» был представлен в секции «Региональные практики дополнительного образования детей с ОВЗ и инвалидностью».

Учащиеся промышленно-коммерческого лицея защитили свои проекты

16 декабря 2020 года состоялись выпускные защиты проектов одиннадцатиклассников из Промышленно-коммерческого лицея г. Владимира. Ребята занимались в детском технопарке «Кванториум-33» в течение всего 2020 календарного года по направлению «Промышленная робототехника».

Опыт работы мобильного технопарка «Кванториум» во Владимирской области представлен коллегам из других регионов России

Сессия руководителей передвижных технопарков проходила с 11 по 13 декабря на базе технопарка «Кванториум» в Твери. Регион-33 на сессии представил руководитель технопарка Илья Максимов.


JoomShaper