Materiais nanoestruturados oferecem coleta eficiente de energia termoelétrica

Figura 1: Esquema ampliado de uma geometria típica de material nanoestruturado hierarquicamente. Limites de grãos, nanoinclusões e defeitos atomísticos apresentam obstáculos para o transporte de fônons (calor) à medida que ele se propaga do lado quente para o frio de um material termoelétrico. NANOthermMA mostra como eles podem ser usados ​​para melhorar o fator de potência também. Clique para ampliar

O professor Neophytos Neophytou lança alguma luz sobre as nanoestruturas e explica como o projeto Horizon 2020 NANOthermMA poderia eventualmente permitir um forte impulso na tecnologia termoelétrica

O calor é um subproduto de todos os nossos processos de conversão de energia que ocorrem sempre que um trabalho útil é realizado e é abundante ao nosso redor. Ele pode ser encontrado em diferentes escalas. Grandes quantidades de calor são encontradas na maioria dos processos industriais, pense, por exemplo, na indústria do aço e nas usinas de energia. O calor residual de nível médio é encontrado nos escapamentos e alternadores de carros, por exemplo, onde quase dois terços do combustível são desperdiçados. Um bom exemplo de calor em micro-escala é o que nossos corpos fornecem.

Na busca urgente por tecnologias de energia verde, é tentador encontrar maneiras de colher essas grandes quantidades de calor e convertê-las em energia elétrica útil, levando à redução do uso de combustíveis fósseis. O processo de conversão de calor residual em eletricidade não é novo. Remonta a 1800 e é obra de Alessandro Volta e Thomas Seebeck, com este último dando seu nome ao efeito Seebeck. Ou seja, quando um tipo especial de material está sujeito a um gradiente de temperatura, uma voltagem elétrica é criada através dele. Estes são chamados de materiais termoelétricos.

O problema da termelétrica é sua baixa eficiência, que é quantificada pela chamada figura de mérito ZT. Os melhores materiais tradicionalmente exibem ZT em torno da unidade, o que corresponde a aproximadamente 10% da eficiência de Carnot. Estima-se que um ZT em torno de três seja necessário para permitir a aplicabilidade em larga escala dessa tecnologia. Os materiais de última geração são ligas e compostos de bismuto, telúrio e chumbo, que apresentam outro problema, por serem extremamente raros e / ou tóxicos. Assim, até o momento, os materiais termoelétricos só encontraram uso em aplicações de nicho, como missões no espaço profundo.

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De forma simplificada, um processo termoelétrico eficiente requer que o material que é colocado entre as extremidades quente e fria do gradiente de temperatura possua as seguintes propriedades:

  • Alta condutividade elétrica, como os elétrons que absorvem o calor no lado quente, propagam-se facilmente para o lado frio.
  • Os elétrons do lado frio devem ser impedidos de se propagar e neutralizar o fluxo de elétrons quentes. A capacidade de um material de separar esses dois fluxos é essencialmente o coeficiente de Seebeck.
  • O material deve ter condutividade térmica muito baixa. Dessa forma, a energia térmica é transferida para os elétrons, em vez de se propagar através do material na forma de fônons.

As nanoestruturas podem efetivamente desacelerar o fluxo de fônons e reduzir drasticamente a condutividade térmica (ver Fig. 1), sem reduzir a condutividade elétrica. Por causa disso, na última década, a nanoestruturação tornou-se o estado da arte em termoelétricas, com valores ZT de dois sendo demonstrados para muitos materiais. O sucesso foi tanto que já atingiu seus limites em termos de redução da condutividade térmica. Outras melhorias precisarão vir da condutividade elétrica e do coeficiente de Seebeck. O problema que surge, entretanto, é que essas duas quantidades são inversamente proporcionais uma à outra, e quaisquer esforços para aumentar uma degradam a outra.

NANOthermMA ERC StG

É aí que entra o projeto NANOthermMA, com o objetivo de identificar teoricamente projetos de materiais nanoestruturados que relaxem a interdependência adversa desses dois parâmetros. O projeto mostrou que, em contraste com materiais primitivos para os quais a condutividade elétrica e o coeficiente de Seebeck são inversamente proporcionais entre si, isso não se aplica estritamente a materiais nanoestruturados. Por meio de uma série de simulações numericamente intensas usando software avançado desenvolvido dentro do projeto, a NANOthermMA demonstrou teoricamente como a engenharia em nanoescala pode quebrar a interdependência adversa desses parâmetros e até mesmo atingir um aumento de 20 vezes no fator de potência – que é o produto de a condutividade elétrica e o coeficiente de Seebeck ao quadrado, uma quantidade que afeta diretamente o ZT.

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Para que isso seja alcançado, o projeto desenvolveu uma ‘receita’ cujo ingrediente principal é a formação de nanodomínios de tamanhos especificados separados por limites, por exemplo, nanograins e limites de grãos como mostrado na Fig. 1. Dentro desta geometria, uma espécie adicional de átomos dopantes é inserido em regiões especificadas – átomos dopantes são impurezas que aumentam a condutividade elétrica do material. Projetando cuidadosamente os tamanhos dos domínios, a natureza dos limites e a distribuição dos dopantes, o que pode ser alcançado é que a condutividade elétrica seja determinada principalmente pelos nanodomínios, enquanto o coeficiente de Seebeck é determinado pelos limites, e dois podem ser ajustados independentemente.

A ‘receita’ proposta é independente da escolha do material usado, e o projeto investiga os detalhes de design de muitos candidatos a materiais para identificar os de melhor desempenho. O design pode ser melhorado ainda mais com a utilização de nanoestruturas hierárquicas. Aqui, as nanoinlusões são inseridas dentro dos nanodomínios para desacelerar o fluxo de calor e reduzir ainda mais a condutividade térmica, mas também podem melhorar de forma independente o coeficiente de Seebeck.

Devido à complexidade do transporte elétrico e térmico nesses materiais nanoestruturados hierarquicamente, ferramentas avançadas de teoria e simulação são necessárias para orientar o processo de design e otimização. O projeto desenvolve tais simuladores avançados com base em métodos analíticos, métodos semi-clássicos, mas também métodos puramente mecânicos quânticos. Os dois primeiros fornecem facilidade computacional e flexibilidade de simulação. Este último é computacionalmente mais caro, mas inclui importantes fenômenos em nanoescala que não são capturados por métodos semiclássicos.

O desafio agora é se essas descobertas podem ser realizadas experimentalmente. O projeto tem uma parte experimental cujo objetivo é validar os ‘ingredientes da receita’ identificados. Espera-se que os resultados de confirmação sejam alcançados no último ano do projeto. Se isso for realizado, ainda que parcialmente, abrirá o caminho para atingir valores de ZT acima de quatro e possibilitará um forte impulso na tecnologia termelétrica.

A NANOthermMA recebeu financiamento do Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) no âmbito do Programa de Pesquisa e Inovação Horizonte 2020 da União Europeia sob o Acordo de Subvenção no 678763.

Nome do projeto: NANOthermMA

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Observação: este é um perfil comercial

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