Un nou material bate recordul mondial pentru transformarea căldurii în electricitate

14 noiembrie 2019

Prof. Ernst Bauer în laborator. Credit: TU Wien

Un nou tip de material generează curent electric foarte eficient pornind de la diferențele de temperatură. Acest lucru permite senzorilor și procesoarelor mici să se alimenteze cu energie fără fir.

Materialele termoelectrice pot converti căldura în energie electrică. Acest lucru se datorează așa-numitului efect Seebeck: dacă există o diferență de temperatură între cele două capete ale unui astfel de material, poate fi generată o tensiune electrică și poate începe să circule curentul. Cantitatea de energie electrică care poate fi generată la o anumită diferență de temperatură este măsurată prin așa-numita valoare ZT: Cu cât valoarea ZT a unui material este mai mare, cu atât mai bune sunt proprietățile sale termoelectrice.

Cele mai bune materiale termoelectrice de până acum au fost măsurate la valori ZT de aproximativ 2,5 până la 2,8. Oamenii de știință de la TU Wien (Viena) au reușit acum să dezvolte un material complet nou cu o valoare ZT de 5 până la 6. Este vorba de un strat subțire de fier, vanadiu, wolfram și aluminiu aplicat pe un cristal de siliciu.

Noul material este atât de eficient încât ar putea fi folosit pentru a furniza energie pentru senzori sau chiar pentru procesoare de calculator de mici dimensiuni. În loc să conecteze micile dispozitive electrice la cabluri, acestea ar putea să-și genereze propria electricitate din diferențele de temperatură. Noul material a fost prezentat acum în revista Nature.

Electricitate și temperatură

„Un material termoelectric bun trebuie să prezinte un efect Seebeck puternic și trebuie să îndeplinească două cerințe importante care sunt dificil de conciliat”, spune profesorul Ernst Bauer de la Institutul de Fizică a Stării Solide de la TU Wien. „Pe de o parte, trebuie să conducă electricitatea cât mai bine posibil; pe de altă parte, trebuie să transporte căldura cât mai slab posibil. Aceasta este o provocare, deoarece conductivitatea electrică și conductivitatea termică sunt, de obicei, strâns legate.”

În cadrul Laboratorului Christian Doppler pentru termoelectricitate, pe care Ernst Bauer l-a înființat la TU Wien în 2013, în ultimii ani au fost studiate diferite materiale termoelectrice pentru diferite aplicații. Aceste cercetări au dus acum la descoperirea unui material deosebit de remarcabil – o combinație de fier, vanadiu, wolfram și aluminiu.

„Atomii din acest material sunt de obicei aranjați într-un model strict regulat într-o așa-numită rețea cubică centrată pe față”, spune Ernst Bauer. „Distanța dintre doi atomi de fier este întotdeauna aceeași, iar același lucru este valabil și pentru celelalte tipuri de atomi. Prin urmare, întregul cristal este complet regulat.”

Cu toate acestea, atunci când un strat subțire de material este aplicat pe siliciu, se întâmplă ceva uimitor: structura se schimbă radical. Deși atomii formează în continuare un model cubic, ei sunt acum aranjați într-o structură spațio-centrată, iar distribuția diferitelor tipuri de atomi devine complet aleatorie. „Doi atomi de fier pot sta unul lângă altul, locurile de lângă ei pot fi ocupate de vanadiu sau de aluminiu și nu mai există nicio regulă care să dicteze unde se va găsi următorul atom de fier în cristal”, explică Bauer.

Acest amestec de regularitate și neregularitate a aranjamentului atomic modifică, de asemenea, structura electronică, care determină modul în care se mișcă electronii în solid. „Sarcina electrică se deplasează prin material într-un mod special, astfel încât este protejată de procesele de împrăștiere. Porțiunile de sarcină care călătoresc prin material sunt denumite Fermioni Weyl”, spune Ernst Bauer. În acest fel, se obține o rezistență electrică foarte scăzută.

Pe de altă parte, vibrațiile rețelei, care transportă căldura din locuri cu temperatură ridicată în locuri cu temperatură scăzută, sunt inhibate de neregularitățile din structura cristalină. Prin urmare, conductivitatea termică scade. Acest lucru este important dacă se dorește ca energia electrică să fie generată permanent dintr-o diferență de temperatură – deoarece, dacă diferențele de temperatură s-ar putea echilibra foarte repede și întregul material ar avea în curând aceeași temperatură peste tot, efectul termoelectric s-ar bloca.

Electricitate pentru Internetul Lucrurilor

„Desigur, un strat atât de subțire nu poate genera o cantitate deosebit de mare de energie, dar are avantajul de a fi extrem de compact și adaptabil”, spune Ernst Bauer. „Vrem să îl folosim pentru a furniza energie pentru senzori și aplicații electronice de mici dimensiuni”. Cererea pentru astfel de generatoare la scară mică este în creștere rapidă: În „Internetul lucrurilor”, din ce în ce mai multe dispozitive sunt conectate online, astfel încât să își coordoneze automat comportamentul între ele. Acest lucru este deosebit de promițător pentru viitoarele fabrici de producție, unde o mașină trebuie să reacționeze în mod dinamic la alta.

„Dacă aveți nevoie de un număr mare de senzori într-o fabrică, nu le puteți cabla pe toate împreună. Este mult mai inteligent ca senzorii să fie capabili să își genereze propria energie folosind un mic dispozitiv termoelectric”, spune Bauer.

Mai multe informații: B. Hinterleitner et al. Thermoelectric performance of a metastable thin-film Heusler alloy, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1751-9

Informații despre jurnal: Nature

Furnizat de Universitatea de Tehnologie din Viena

.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *