Печатный термоэлектрический генератор в технике оригами вырабатывает более 20 Вт·м−2 от низкопотенциального тепла за счёт дизайна материалов и процессов

Превращение отходящего тепла в полезную энергию

Каждый день наши гаджеты, фабрики и даже бытовые обогреватели теряют большие количества низкотемпературного тепла. Эта тёплая, но не горячая энергия обычно рассеивается в воздухе и остаётся неиспользованной. В исследовании, описанном здесь, показано, как это утерянное тепло можно преобразовать в электричество с помощью нового вида ультратонкого, складываемого источника питания. Полностью изготовленное методом печати и затем сложенное как оригами, это устройство способно выдавать достаточно энергии для питания небольших датчиков и электроники без батарей, открывая путь к автономным носимым устройствам и устройствам Интернета вещей без обслуживания.

Почему важны складывающиеся источники питания

Современное общество тратит огромную долю потребляемой энергии в виде слабого тепла от машин, труб и человеческого тела. Термоэлектрические генераторы могут напрямую преобразовывать разность температур в электричество, но лучшие варианты обычно изготовлены из жёстких, дорогих кристаллов, которые сложно масштабировать. Печать предлагает более дешёвый, рулон‑в‑рулон путь, но печатые материалы часто уступают по эффективности или гибкости. Исследователи поставили задачу объединить низкую стоимость и потенциальную изменяемость формы, присущие печати, с уровнями мощности, достаточными для реального использования таких генераторов в повседневных условиях.

Разработка улучшенного печатного материала

В основе нового устройства лежит специально разработанная тонкая плёнка на основе серебра, селена и небольшого количества серы. Подправляя точный состав — незначительно сдвигая соотношение элементов и заменяя около 2 процентов селена серой — команда настроила движение электронов в плёнке. Такое тщательное регулирование дало материал, который хорошо проводит электричество и при этом генерирует значительное напряжение при температурной градиенте. При температуре примерно 90 °C (360 K) оптимизированная плёнка достигла фактора мощности примерно на две трети выше, чем ранние серебро‑селеновые плёнки группы, оставаясь при этом гибкой после горячего прессования в плотный, гладкий слой.

Создано, чтобы гнуться, крутиться и служить долго

Поскольку будущие источники питания могут потребоваться для обёртывания вокруг труб или размещения на движущихся объектах, механическая прочность критична. Исследователи напечатали несколько вариантов своих плёнок на тонкой пластиковой подложке Каптон и подвергли их многократному изгибу и скручиванию. Даже при обёртывании вокруг небольших цилиндров сотни раз, усиленные серой плёнки показывали лишь незначительные изменения электрического сопротивления и выдерживали тысячу циклов изгиба без видимых трещин. Такая долговечность достигается как за счёт конструкции материала, так и благодаря этапу горячего прессования, который уплотняет напечатанный слой, улучшая адгезию и снижая количество слабых мест.

От плоской печати к генератору в технике оригами

Чтобы превратить улучшенные плёнки в работоспособный генератор, команда напечатала чередующиеся полосы своего нового n‑типа материала и комплементарного p‑типа на гибкой подложке, добавила углеродные и серебряные контактные слои и затем сложила всю стековую структуру в зигзагообразную форму оригами. В такой конфигурации тонкие «ножки» соединяют горячую и холодную стороны, заставляя тепло протекать через множество соединений, электрически соединённых последовательно. При разности температур в 80 кельвин — что сопоставимо с разницей между тёплой поверхностью и прохладной средой — устройство в технике оригами выдало около 0,9 милливатта мощности. Это соответствует более чем 20 ваттам на квадратный метр активной площади и примерно 800 микроваттам на грамм, что примерно вдвое превышает плотность мощности более ранних печатных оригами‑генераторов.

Надёжное питание в длительной перспективе

Для практического использования постоянство работы с течением времени так же важно, как и пиковые показатели. Исследователи подвергли свой печатный оригами‑модуль десяткам рабочих циклов при разных температурных градиентах. Устройство многократно показывало почти одинаковую выходную мощность — с разбросом всего в несколько процентов — демонстрируя, что печатные слои, электрические соединения и сложенная конструкция выдерживают тепловые и механические нагрузки. Компьютерное моделирование с учётом измеренных свойств материалов хорошо согласовалось с экспериментальными напряжениями и мощностями, что даёт дополнительную уверенность в возможности масштабирования и оптимизации подхода.

Что это значит для повседневных технологий

Проще говоря, работа показывает, что тонкие, печатные и складываемые листы можно спроектировать так, чтобы собирать низкопотенциальное тепло с рекордной для печатных устройств плотностью мощности. Вместо использования батарей, которые нужно менять или подзаряжать, небольшие датчики на производственных линиях, в «умных» зданиях или даже на теле человека могли бы получать энергию от мягких температурных различий с помощью таких оригами‑генераторов. Хотя для интеграции в продукты требуется дополнительная разработка, это сочетание продуманной химии материалов, недорогой печати и экономии места за счёт складывания приближает электронику, питаемую от отходящего тепла, к реальному применению.

Цитирование: Luo, N., Wang, Z., Verma, A.K. et al. Printed origami thermoelectric generator achieves > 20 Wm⁻² from low-grade heat via material and process design. Nat Commun 17, 1259 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68852-z

Ключевые слова: термоэлектрический генератор, печатная электроника, энергосборщик в технике оригами, утилизация тепловых отходов, гибкий источник питания