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Nuovo metodo per generare elettricità dal calore – I ricercatori identificano le basi per una conversione termoelettrica ottimale

Energia dal calore di scarto: i ricercatori hanno scoperto un tipo particolarmente efficiente di materiale termoelettrico, un materiale solido in grado di convertire il calore direttamente in potenziale elettrico. A differenza dei metodi tradizionali, il riscaldamento breve e forte modifica la struttura atomica di un composto metallico fatto di ferro, vanadio e alluminio in modo tale che gli elettroni si muovano. Una volta superata questa soglia, sono sufficienti anche piccole differenze di temperatura nel materiale per generare tensione.

Nella maggior parte delle centrali elettriche, il calore viene convertito in elettricità dalle turbine, con una grande perdita di energia. Ma c’è anche un modo più diretto: attraverso materiale refrattario. In essi, il cosiddetto effetto Seeberg assicura che anche piccole differenze di temperatura all’interno di un materiale facciano muovere gli elettroni e far fluire la corrente. Di conseguenza, un sottile strato di materiale è sufficiente per assorbire, ad esempio, il calore disperso dalle macchine o dalle nostre macchine temperatura corporea per convertirlo in energia elettrica.

Concentrati sugli elettroni

La conversione termica è particolarmente efficace quando il materiale ha un’elevata conducibilità elettrica ma una bassa temperatura. Ma trovare materiali con tali proprietà non è facile. Finora, sono stati fatti tentativi per raggiungere questo obiettivo introducendo intenzionalmente atomi esotici nei materiali semiconduttori e riducendo la conduttività termica. “Aumentare la parte elettronica dell’equazione, d’altra parte, è un compito molto più difficile ma necessario”, spiegano Fabian Gromrudy dell’Università tecnica di Vienna e colleghi.

Secondo la teoria, gli elettroni conduttori nel materiale possono muoversi solo all’interno di un intervallo di energia molto ristretto. Kermrodi e il suo team hanno ora studiato cosa questo significhi in pratica e come questo possa essere raggiunto in una materia. Per fare ciò, hanno condotto esperimenti su una lega metallica di ferro, vanadio e alluminio (Fe2VAL) è stato brevemente riscaldato a varie temperature fino a 1380° e quindi raffreddato rapidamente a bagnomaria. Il team ha analizzato la struttura e il comportamento elettronico del materiale.

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Alla giunzione di Anderson, i difetti nel reticolo cristallino raggiungono l’esatta densità richiesta per l’impaccamento termoelettrico degli elettroni. © Garmroudi et al./ Comunicazioni sulla natura, CC di 4.0

Il trasferimento di Anderson è fondamentale

Le analisi hanno rivelato che la cosiddetta giunzione di Anderson è importante per l’efficienza termoelettrica. Si verifica quando le impurità distribuite casualmente nel materiale superano la densità critica. “Simile al ghiaccio galleggiante nel mare, inizialmente sono isolati l’uno dall’altro e non possono essere calpestati”, spiega Al-Qarmroudi. “Tuttavia, se il numero di banchi di ghiaccio è abbastanza grande, hai una connessione continua che puoi usare per attraversare il mare”.

Se viene applicato a una sostanza, significa che se il numero di atomi estranei, ad esempio, supera un valore critico, gli elettroni possono improvvisamente spostarsi liberamente da un atomo all’altro. Anche piccoli gradienti di temperatura sono sufficienti per consentire il flusso di corrente. “Le condizioni per la termoelettricità ideale sono presenti alla giunzione di Anderson, che è una transizione di fase quantistica da stati di elettroni localizzati a uno stato di elettroni in movimento”, afferma Grumrudy.

Ottimizzazione mediante riscaldamento e raffreddamento

Allo stesso tempo, gli esperimenti hanno dimostrato che la transizione di Anderson potrebbe essere ottenuta non solo aggiungendo più atomi estranei, ma anche solo riscaldando seguito da un rapido raffreddamento a bagnomaria, noto come tempra. “A temperature elevate, gli atomi vibrano così fortemente che a volte si scambiano le posizioni del reticolo”, spiega l’autore senior Ernst Bauer dell’Università di tecnologia di Vienna. “Ad esempio, gli atomi di ferro sono dove prima c’erano gli atomi di vanadio”.

Simili agli atomi estranei aggiuntivi, questi difetti irregolari indotti dal calore garantiscono una maggiore mobilità degli elettroni, senza dover modificare la composizione chimica del materiale. Questo trasforma il composto metallico in un materiale termoelettrico molto efficiente in cui gli elettroni si muovono – come richiesto dalla teoria – all’interno di un intervallo di energia molto ristretto.

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Migliora le prestazioni dei materiali termici

Le misurazioni hanno mostrato che la produzione termoelettrica del composto metallico raffreddato a 1380 gradi era di 7,6 milliwatt per metro quadrato Kelvin. “Si tratta di un aumento dal 30 al 40 percento rispetto alle varianti meglio drogate di questo sistema e una delle prestazioni termoelettriche più elevate mai segnalate per uno stato solido”, hanno scritto i ricercatori. L’attuale miglior sistema di bismuto-tellurio drogato con n raggiunge solo la metà del fattore di potenza.

“Il nostro lavoro rivela quindi un nuovo paradigma per l’ottimizzazione dei materiali termoelettrici”, affermano Al-Garmroudy e colleghi. Di conseguenza, riarrangiamenti e perturbazioni nel reticolo cristallino che sono specificamente generati dal calore possono aumentare la produzione termoelettrica. Ciò apre la strada a convertitori di calore più efficienti e a una migliore generazione di elettricità dal calore precedentemente non utilizzato. (Comunicazioni sulla natura, 2022; doi: 10.1038/s41467-022-31159-w)

Fonte: Università della tecnologia di Vienna