Коротко — любое устройство «прямого» преобразования тепла в электричество ограничено фундаментальной термодинамикой $включаяКарно$ и физикой переносов $тепла,заряда,спина,фотонов$. Ниже — систематизация ключевых физических принципов, главных ограничений и наиболее перспективных направлений материаловедческих и конструктивных исследований для трёх указанных классов устройств и смежных подходов.

Общие фундаментальные принципы и ограничения

Закон второй термодинамики $Карно$. Верхний предел эффективности при преобразовании тепла к холодной среде Tc и горячей Th: η_Carnot = 1 − Tc/Th. Любое устройство ≤ η_Carnot. Необратимости и эксергетические потери: теплопередача с конечной разностью температур, внутренние тепловые потери, сопротивления переносу заряда/спина/фотонов снижают реальную эффективность. Связь электрической и теплопроводности для электроносителей $Wiedemann–Franz$ затрудняет «развязывание» хорошего электрического проводника и плохого теплопроводника — ключевая проблема для термоэлектриков. Линейная непрямота: Onsager-реляции и коэффициенты переноса задают предел для поперечных эффектов $Nernst,Ettingshausenит.п.$. Материальные ограничения: температура устойчивости, коррозия, диффузия, механические напряжения при больших градиентах ΔT, химическая стойкость при работе в парогенераторах/термоэмиссии. Коммерческие ограничения: стоимость, доступность элементов $Tl,Te,Pbидр.частодорого/токсичны$, технологии масштабирования и надёжности при термокоммутациях и циклических нагрузках.

Термоэлектрические генераторы $Seebeck$ Физика и ключевая метрика:

Фигура мерита ZT = S^2 σ T / κ $S—коэффициентЗеебека,\sigma —проводимость,\kappa —теплопроводность$. При ZT → ∞ эффективность → Карно; на практике ZT ≈ 0.5–2 у лучших материалов при определённых T.
Фундаментальные ограничения:Конкуренция между σ и κ по электронному каналу $Wiedemann–Franz$. Преобладание тепловой проводимости за счёт фононов: для высокой ZT нужно сильно уменьшить κ_ph без утраты σ. Биполярная проводимость при высоких температурах $утеканиеносителейразногознака$ снижает S и увеличивает κ.
Перспективные исследовательские направления:Фононная инженерия: наноструктурирование $нанопоры,наносферы,внутриматрицы$, иерархическое рассеиваение фононов на разных шкалах для низкой κ_ph. Банд- и электронная инженерия: конвергенция полос, резонансные уровни, фильтрация энергии носителей, оптимизация подвижности при высокой σ и одновременно большом S. Новые химические классы: Mg3Sb2 и его легирование, half‑Heuslers, skutterudites, clathrates, высокоэнтропийные сплавы и сложные ковалентные структуры $phonon-glasselectron-crystalконцепции$. Интерфейсный и контактный инжиниринг: снижение контактного сопротивления, термо-механическая совместимость $коеффициентытепловогорасширения$. Масштабируемость и стабильность: синтез больших объёмов наноструктурированных тел, экологичные составы $заменаPb/Te$.
Конструктивные приёмы:Сегментирование термопары по зонам T $функционально-градуированная$ для близости к локальному оптимуму ZT$Т$. Оптимизация геометрии для снижения параситной теплопередачи, минимизация теплового шунта, улучшенные теплообменники.

Магнитотермические генераторы, поперечные термоэлектрические эффекты и спин-калоритроника
Физика:

Поперечные эффекты: Nernst-Ettingshausen $термальноевозбуждениеимагнитнаясиладаютпоперечныйэлектрическийток$, а также Аномальный Nernst Effect $ANE$ в ферромагнетиках и spin Seebeck $генерацияспин-токаоттемпературногоградиента$.
Ограничения:Эффективность ограничена малостью коэффициентов Nernst у обычных материалов или нуждой в высоких магнитных полях. Потери на теплопроводность и рассеяние спинов/магнонов, межфазные сопротивления при конвертации спин→заряд $spin-to-chargeconversion$.
Перспективные материалы и подходы:Высокомобильные полупроводники и полуметаллы $Bi,Bi‑Sb$, современные топологические и Weyl‑полуметаллы, где Nernst/ANE можно усилить. Магнитные тонкоплёнки и мультислои с сильной spin–orbit связью для эффективного преобразования спин-тока в электрический $inversespinHall,spinpumping$. Оптимизация геометрии $поперечныемодули$, использование постоянных магнитов и магноновых каналов для работы при малых ΔT.
Перспективы:Для прикладных генераторов многообещающи ANE- и spin-Seebeck-устройства, если удастся получить высокие коэффициенты при комнатных/рабочих температурах и решить проблему масштабирования.

Термоионика и термоэлектронные $термоэмиссионные$ преобразователи
Физика:

Термоионная эмиссия описывается законом Ричардсона: j ∝ T^2 exp$-\Phi /kT$ — сильная зависимость от работы выхода Φ и температуры.
Ограничения:Высокие необходимые температуры для заметных потоков тока (обычно >1500 K для чистых металлов) или использование понижающих работу выхода сред $цезий$. Пространственные‑зарядовые ограничения $space‑charge$, проблема межэлектродных зазоров, термостабильность материалов.
Перспективы:Низко‑работовыходные эмиттеры $наноматериалы,покрытиекатализаторами$, близко‑полевая термоэмиссия $near‑fieldenhancement$, комбинирование с пиром/ТЕРМОФОТОВОЛЬТАИКА. Технологические исследования: микроструктурированные зазоры, контроль пространственного заряда $ion‑getter,ограждающиесетки$, высокотемпературные коррозионностойкие покрытия.

Термофотогальванические $TPV$ и фотонные подходы
Физика:

Нагретый объект испускает фотонный поток — затем фотодиод преобразует фотонную энергию в электричество. Ограничение от спектральной несоответственности: много энергии теряется в фотонах с энергией ниже band‑gap.
Ограничения:Детальный баланс и пределы Шокли–Кунера $оптическиеитермодинамическиеограничения$, необходимость узкоспектральной/селективной эмиссии.
Перспективы:Селективные/синтетические излучатели $фотонныекристаллы,метаматериалы$, фильтры и спектральное сужение, near‑field TPV для повышения плотности потока выше чернотельного предела, термостойкие фотодиоды, многопереходные PV для сочлененного использования спектра.

«Прямые тепловые парогенераторы» / паровые и двухфазные преобразователи $микро‑ORCипаровыемикро‑турбины$ Интерпретация: создание пара из тепла и последующее превращение в механическую работу/электричество — классический Rankine/ORC цикл, здесь «прямое» означает минимальное количество промежуточных преобразований.
Физика и ограничения:

Карно‑ограничение для тепловых циклов; тепловые потери в теплообменниках; нестабильности двухфазных потоков, критический тепловой поток $CHF$ при кипении; механические потери в турбинах/насосах; ошибки масштабирования $микротурбинаvs.макро$. Циклическая усталость материалов, коррозия рабочих жидкостей, эрозия и отложение на теплопередающих поверхностях.
Перспективные исследования:Подбор рабочих жидкостей $замкнутыеORCснизкотемпературнымифлюидами$, супер- и сверхкритические режимы, микро-турбины и мембранные генераторы с низкими потерями. Поверхностная инженерия для улучшения кипения $структурированныеповерхностидляnucleateboiling,устойчивостькCHF$, аддитивное производство сложных теплообменников и микро-каналов для высокого теплообмена при малом объёме. Гибридизация: комбинировать TE/TPV/ORC по каскаду использования тепловых потоков $низкотемпературнаяступень—TE,промежуточная—ORC/TPV$.

Приоритизация направлений с наибольшим потенциалом

Короткий/среднесрочный выигрыш $2–10лет$: инженерные улучшения $контакты,теплообмен,модульнаяконструкция$, масштабирование хорошо изученных материалов с небольшими модификациями $PbTe,Bi2Te3длясоответствующихT,Mg3Sb2$, улучшение термоэлектрических модулей за счёт сегментирования и уменьшения контактных потерь. Среднесрочный/долгосрочный $5–15лет$: материалы с ZT > 3 — главная точка для коммерческой прорывной эффективности ТЭГ. Это требует сочетания: банд‑инженерия $конвергенцияполос,резонансныеуровни$, иерархической фононной инженерии и сохранения высокой подвижности носителей. Высокий потенциал $прорывныенаправления$: Топологические/Weyl‑полуметаллы и материалы с крупными Nernst/ANE эффектами для магнитотермики. Near‑field TPV и фотонные структуры для повышения плотности теплового потока и селективного излучения. Комбинированные гибридные системы $TPV+TE,термоэмиссия+TE$, где суммарно эффективнее использовать разные физические механизмы на разных частотах/температурных диапазонах. Применение машинного обучения и высокопроизводительных вычислений для поиска новых химических композиций и оптимизации многопараметрических структур. Экономическая и экологическая перспектива: искать материалы без редких/токсичных элементов и процессы синтеза, пригодные к масштабированию.

Практические инженерные рекомендации

Считать не только эффективность преобразования, но и плотность мощности, стоимость, долговечность и циклическую стабильность. При проектировании модулей уделять максимум внимания тепловым интерфейсам и контактам — в реальной системе они часто лимитируют выходную мощность. Использовать каскадирование $горячаяступень\to средняя\to холодная$ и гибридные схемы, чтобы использовать оба — большую мощность и большую эффективность на разных уровнях температуры. Параллельно исследовать надежность материалов при долгосрочной/циклической эксплуатации и возможность утилизации/рециклинга.

Короткое резюме

Фундаментальные ограничения $Карно,Onsager,Wiedemann–Franz,законРичардсонаидр.$ диктуют пределы и указывают, где нужна «развязка» электронных и фононных свойств. Для термоэлектриков ключ — повышение ZT путём снижения фононной теплопроводности и одновременного сохранения/улучшения электронной проводимости и S $наноструктурирование,банд‑инжиниринг$. Для магнитотермики и спин-калоритроники — поиск материалов с сильно увеличенным Nernst/ANE/spin‑Seebeck эффектом и эффективной схемой преобразования спин→заряд. Для термоэмиссионных/TPV-подходов — работа над селективными/наноструктурированными эмиттерами, низко‑работовыходными эмиттерами и near‑field усилениями. Для паровых/ORC систем — совершенствование теплообменников, рабочих жидкостей и микро‑турбин; управление двухфазными процессами и CHF.

Если хотите, могу:

Привести конкретный список перспективных материалов $соценкойZTитемпературныхдиапазонов$. Рассчитать теоретическую верхнюю границу эффективности для вашей конкретной ΔT и среднего ZT. Предложить дорожную карту НИОКР $материалы\to модуль\to система$ для выбранного подхода.