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Correre caldo e freddo
La professoressa dell'Istituto Mildred S. Dresselhaus vuole dare una nuova svolta a un'idea del 19° secolo. Gli scienziati conoscono da quasi 200 anni l'effetto termoelettrico: alcuni materiali generano una tensione elettrica quando la loro temperatura è diversa su ciascun lato. E quando viene loro applicata una tensione, si riscaldano da un lato e si raffreddano dall'altro. Realizzare materiali con queste proprietà, tuttavia, è sempre stata una sfida: la maggior parte dei materiali che conducono elettricità conducono anche calore, quindi la loro temperatura si livella rapidamente. Ciò li rende inefficienti nella generazione di elettricità e poco pratici per la maggior parte delle applicazioni di riscaldamento o raffreddamento.
Ma Dresselhaus, che studia la fisica dei solidi su scala nanometrica, afferma che i dispositivi termoelettrici diventeranno praticabili quando verranno commercializzati nuovi materiali nanostrutturati che lei e altri stanno progettando in laboratorio. Con Gang Chen al MIT, Zhifeng Ren al Boston College e Jean-Pierre Fleurial al Jet Propulsion Laboratory della NASA, Dresselhaus sta manipolando le proprietà di trasporto dell'energia dei materiali su scala nanometrica per sviluppare buoni conduttori elettrici che sono cattivi conduttori di calore. Lavorando con compositi realizzati con materiali semiconduttori complementari come il tellururo di bismuto e il germanio di silicio, i ricercatori sperano di creare materiali termoelettrici due volte più efficienti delle loro controparti convenzionali.
I materiali termoelettrici esistenti hanno già alcune applicazioni, come i sedili delle auto a temperatura controllata individualmente che possono essere riscaldati in modo efficiente quando sono freddi o raffreddati quando sono sudati. Il sistema, realizzato da un'azienda con sede nel Michigan, migliora il risparmio di carburante e il comfort: se sei seduto su un posto fresco, hai bisogno di meno aria condizionata, sottolinea Dresselhaus. Ma ancora meglio sarebbero le applicazioni che catturano il calore di scarto, ad esempio dal tubo di scappamento di un'auto, e lo convertono in elettricità. Siamo tutti preoccupati per l'energia sostenibile, dice. Se potessimo riciclare il calore di scarto per generare energia, potremmo usarlo per qualcosa di utile.
La sfida attuale consiste nell'incorporare le nanoparticelle in strutture abbastanza grandi da inserirsi in un sistema a misura d'uomo. A tal fine, Dresselhaus spreme le nanoparticelle di silicio e germanio in uno stampo, quindi le riscalda e le raffredda rapidamente nel vuoto per compattarle in barre di dimensioni millimetriche. Schiacciando insieme piccole particelle che differiscono per composizione e dimensioni, aumenta la superficie all'interno del materiale, creando un percorso ad ostacoli di sottostrutture interne su nanoscala che rallentano il trasferimento di calore mentre lasciano passare l'energia elettrica.
I nuovi materiali potrebbero aiutare i ricercatori a costruire sistemi di raffreddamento in microchip, sostituire i sistemi HVAC basati su freon nei veicoli, rendere i motori delle auto più efficienti e migliorare l'efficienza fotovoltaica sfruttando il calore solare e la luce. Se avessimo migliorato i materiali che potrebbero essere prodotti a basso costo e in grandi quantità, sicuramente l'industria termoelettrica potrebbe andare avanti più rapidamente, afferma Dresselhaus. Non finirà con i seggiolini auto.