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Termoelettrici più efficienti
Migliorando le proprietà elettroniche di un comune materiale termoelettrico, un tipo di semiconduttore che converte il calore in elettricità, i ricercatori hanno raddoppiato le sue prestazioni, rendendolo più pratico per generare elettricità dal calore di scarto come quello prodotto nelle centrali elettriche e nei motori delle automobili.
Calore elettrico: Un piccolo campione di un nuovo materiale per convertire il calore in elettricità è attaccato a cavi elettronici e un minuscolo riscaldatore per i test.
I termoelettrici non sono stati ampiamente utilizzati per generare elettricità perché sono costosi e inefficienti. Per aumentare l'efficienza, i ricercatori, tra cui Giuseppe Heremans , professore di ingegneria meccanica e fisica presso la Ohio State University, ha aggiunto tracce di tallio al tellururo di piombo, un materiale termoelettrico che da decenni genera elettricità a bordo delle sonde dello spazio profondo. Il tallio aggiunto ha raddoppiato la capacità del materiale di convertire il calore in elettricità aumentando la tensione che produce. Heremans afferma che il miglioramento dell'efficienza potrebbe tradursi in un aumento del 10% del consumo di carburante delle auto se i dispositivi vengono utilizzati per sostituire gli alternatori nelle automobili generando elettricità dal calore dei gas di scarico. I nuovi materiali sono descritti nel numero di questa settimana della rivista Scienza .
Il nuovo lavoro è importante per diversi motivi, afferma Gang Chen , un professore di ingegneria meccanica al MIT che non era coinvolto nel lavoro. Primo, è un aumento piuttosto impressionante dell'efficienza di un tipo di materiale termoelettrico, dice. I termoelettrici convenzionali al tellururo di piombo convertono circa il 6% dell'energia in calore in elettricità. Una volta incorporato in un generatore termoelettrico, il materiale più efficiente potenziato con tallio potrebbe aumentarlo fino al 10%, una volta prese in considerazione le perdite, come quelle derivanti dai collegamenti elettrici.
Ancora più importante, dice Chen, il lavoro di Heremans offre ai ricercatori un nuovo modo per migliorare i materiali termoelettrici che potrebbero aumentare l'efficienza di un'ampia varietà di materiali sperimentali. I materiali termoelettrici sono buoni conduttori elettronici ma scarsi conduttori termici: la differenza di calore all'interno del materiale spiega in gran parte le proprietà termoelettriche. Quasi tutti i recenti miglioramenti ai materiali termoelettrici – e ci sono stati miglioramenti significativi negli ultimi anni – sono arrivati con una diminuzione della loro conduttività termica. Heremans ei suoi colleghi hanno provato un approccio diverso, aumentando la tensione che i materiali creano. Cioè, dice Heremans, facciamo in modo che gli elettroni facciano più lavoro.
Le tecniche impiegate per ridurre la conduttività termica potrebbero essere utilizzate per integrare le nuove tecniche sviluppate da Heremans e dai suoi colleghi. Ciò consentirebbe ai ricercatori di raddoppiare ancora una volta le prestazioni dei materiali, suggerisce Heremans. E questo, a sua volta, inizierebbe a rendere i dispositivi termoelettrici competitivi con i generatori convenzionali, afferma Jeffrey Snyder , un ricercatore di scienze dei materiali al Caltech e uno degli altri ricercatori coinvolti nel Scienza carta.
Uno svantaggio dei nuovi materiali è che il tallio è estremamente tossico, quindi richiederebbe salvaguardie durante la produzione e lo smaltimento. (Durante l'uso, i materiali sono incapsulati e quindi rappresentano un pericolo minore.) Tuttavia, Heremans afferma che i dispositivi potrebbero essere rimossi dalle vecchie auto e indossati su nuove poiché potrebbero facilmente durare per tutta la vita di diversi veicoli, riducendo lo smaltimento dei rifiuti i problemi.
Heremans è ottimista sul fatto che i nuovi materiali possano essere rapidamente commercializzati, poiché gli ingegneri hanno già anni di esperienza nel lavoro con il tellururo di piombo. Dice che i primi prodotti, probabilmente generatori termoelettrici che convertono i gas di scarico delle automobili in elettricità, potrebbero essere pronti in tre o quattro anni.