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Trasformare il calore di scarto in energia
Il silicio, sotto forma di celle fotovoltaiche, è bravo a generare elettricità dalla luce solare. Una nuova ricerca mostra che potrebbe anche essere un buon termoelettrico: un materiale che converte il calore in elettricità e viceversa. Poiché il silicio è più abbondante dei principali materiali termoelettrici e ha una vasta infrastruttura di produzione alle spalle, potrebbe alla fine produrre dispositivi economici per generare energia dal calore di scarto dei motori o dal calore solare.
Cliente fantastico: Questa immagine, prodotta da un microscopio elettronico a scansione, mostra un nanofilo di silicio ruvido che collega due piastre riscaldanti, una che funge da fonte di calore e l'altra da sensore. I ricercatori hanno scoperto che i nanofili di silicio larghi 50 nanometri hanno una conduttività termica drasticamente inferiore rispetto al silicio sfuso, ma mantengono la loro conduttività elettrica. Quindi i nanofili mostrano il potenziale come materiali termoelettrici, quelli che convertono il calore in elettricità e viceversa.
In questa settimana Natura , Università della California, Berkeley, professore di chimica Peidong Yang e i suoi colleghi riferiscono di aver fabbricato nanofili di silicio che generano elettricità quando viene applicata una differenza di temperatura su di essi. Finora il silicio è stato considerato un cattivo materiale termoelettrico. Ma secondo Yang, le prestazioni dei nanofili sono già paragonabili al miglior materiale termoelettrico esistente.
I dispositivi termoelettrici sono in circolazione dai primi anni '60, solitamente realizzati con tellururo di bismuto o tellururo di piombo. Sono utilizzati principalmente per il raffreddamento: quando viene applicata una tensione ai capi di un materiale termoelettrico, questo diventa più caldo da un lato e più freddo dall'altro. I refrigeratori termoelettrici sono comunemente utilizzati nei refrigeratori portatili da picnic e nei sedili delle auto di raffreddamento.
Ma applicazioni più interessanti risiedono nell'efficienza energetica e nella generazione di energia. I termoelettrici potrebbero essere utilizzati per convertire il calore di scarto generato dai motori delle automobili in elettricità. Ancora più attraente è l'idea che i termoelettrici sfruttino il calore del sole per creare elettricità. Ma il tellururo di bismuto e il tellururo di piombo non sono abbastanza efficienti, quindi i dispositivi realizzati con essi sono costosi e ingombranti, perché richiedono più materiale.
I termoelettrici dovrebbero essere almeno due volte più efficienti di quelli attuali per essere utilizzati per la produzione di energia a basso costo, afferma Mildred Dresselhaus , un pioniere della termoelettrica e professore di fisica e ingegneria elettrica al MIT. L'utilizzo di strutture su nanoscala invece di cristalli sfusi dei materiali può aumentare la loro efficienza, afferma. Le nanostrutture bloccano il flusso di calore ma consentono agli elettroni di fluire facilmente. Ma la lavorazione e la nanostrutturazione del tellururo di bismuto non è facile.
Il silicio, d'altra parte, è molto più facile da elaborare, ha una grande infrastruttura di elaborazione alle spalle, afferma Yang. Il silicio ha anche un costo molto inferiore rispetto al tellururo di bismuto. Il problema con il silicio è che è un cattivo termoelettrico. Un buon termoelettrico deve essere due cose: un buon conduttore elettrico e un cattivo conduttore di calore. Il silicio conduce molto bene sia il calore che l'elettricità.
Yang e i suoi colleghi hanno ridotto la conduttività termica del silicio utilizzando nanofili di silicio. Hanno fabbricato una serie di nanofili di silicio con un diametro compreso tra 20 e 300 nanometri. La sintesi del nanofilo spesso comporta la liquefazione di una nanoparticella e l'induzione a crescere, proprio come un capello. Ma questo produce nanofili con superfici lisce. Il metodo di incisione chimica utilizzato dal team di Yang si traduce invece in nanofili che hanno superfici ruvide. I ricercatori hanno scoperto che i fili larghi circa 50 nanometri mantengono la conduttività elettrica ma hanno solo un centesimo della conduttività termica. Ciò si traduce in un'efficienza termoelettrica vicina a quella di alcuni materiali commerciali di tellururo di bismuto.
Nessuna teoria attuale spiega perché la conduttività termica dei nanofili diminuisca così drasticamente. Uno dei motivi, secondo Yang, è che i nanofili quasi unidimensionali e i bordi ruvidi dei cavi bloccano il flusso dei fononi, che sono particelle che trasportano calore. Ma il quadro completo rimane poco chiaro.
Ali Shakouri , un professore di ingegneria elettrica presso l'Università della California, Santa Cruz, afferma che i ricercatori dovranno capire come funziona la fisica prima di poter migliorare la tecnologia abbastanza da produrre dispositivi commerciali. Inoltre, l'utilizzo di nanofili per la conversione dell'energia e la generazione di energia ha i suoi limiti, afferma Shakouri. Tali applicazioni richiedono grandi array di nanofili, ma nel Natura carta, Yang ei suoi colleghi hanno misurato le proprietà elettriche dei singoli nanofili. I ricercatori dovranno assicurarsi che tali proprietà si traducano in interi array di nanofili, afferma Shakouri: Le variazioni e le interazioni tra i nanofili potrebbero portare via alcuni vantaggi.
Tuttavia, dice, questo è un lavoro importante che potrebbe avere un grande impatto. Shakouri punta non solo alla dimostrazione del potenziale del silicio come termoelettrico, ma anche all'ingegneria unica che i ricercatori hanno usato per realizzare nanofili grezzi. Il nuovo modo di giocare con le proprietà dei materiali è molto interessante, dice. Potrebbe aprire una strada per migliorare i termoelettrici che potrebbero essere applicati ad altri materiali.
Yang e i suoi colleghi, nel frattempo, stanno già pensando a come migliorare le prestazioni dei loro nanofili. Hanno in programma di ridurre le dimensioni dei nanofili e rendere le loro superfici più ruvide di quanto non siano già. Ciò dovrebbe migliorare le loro proprietà termoelettriche, dice Yang. I ricercatori hanno anche in programma di realizzare e testare un vero dispositivo termoelettrico utilizzando nanofili di silicio.