Transformando calor em eletricidade

O estudo descobriu que materiais topológicos podem aumentar a eficiência de dispositivos termoelétricos.

E se você pudesse operar seu ar condicionado não com eletricidade convencional, mas com o calor do sol durante um dia quente de verão? Com os avanços da tecnologia termoelétrica, essa solução sustentável pode um dia se tornar realidade.

Os dispositivos termoelétricos são feitos de materiais que podem converter uma diferença de temperatura em eletricidade, sem a necessidade de peças móveis - uma qualidade que torna as termoelétricas uma fonte de eletricidade potencialmente atraente. O fenômeno é reversível: se a eletricidade é aplicada a um dispositivo termoelétrico, ela pode produzir uma diferença de temperatura. Hoje, os dispositivos termoelétricos são usados ​​para aplicações de energia relativamente baixa, como alimentar pequenos sensores ao longo de oleodutos, fazer backup de baterias em sondas espaciais e resfriar minifridges.

Mas os cientistas esperam projetar dispositivos termoelétricos mais poderosos que possam extrair calor - produzido como um subproduto de processos industriais e motores de combustão - e transformar o calor desperdiçado em eletricidade. No entanto, a eficiência dos dispositivos termoelétricos, ou a quantidade de energia que eles são capazes de produzir, é atualmente limitada.

Agora, pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de aumentar essa eficiência em três vezes, usando materiais "topológicos", que possuem propriedades eletrônicas exclusivas. Enquanto trabalhos anteriores sugeriram que os materiais topológicos podem servir como sistemas termoelétricos eficientes, tem havido pouco entendimento de como os elétrons em tais materiais topológicos viajariam em resposta às diferenças de temperatura para produzir um efeito termoelétrico.

Em um artigo publicado esta semana na revista Proceedings, da Academia Nacional de Ciências , os pesquisadores do MIT identificam a propriedade subjacente que faz com que certos materiais topológicos sejam potencialmente mais eficientes em comparação com os dispositivos existentes.

"Descobrimos que podemos forçar os limites desse material nanoestruturado de uma maneira que faça dos materiais topológicos um bom material termoelétrico, mais do que os semicondutores convencionais como o silício", diz Te-Huan Liu, pós-doutorando no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “No final, isso pode ser uma forma de energia limpa para nos ajudar a usar uma fonte de calor para gerar eletricidade, o que diminuirá nossa liberação de dióxido de carbono.”

Liu é o primeiro autor do artigo do PNAS , que inclui os alunos de pós-graduação Jiawei Zhou, Zhiwei Ding e Qichen Song; Mingda Li, professora assistente no Departamento de Engenharia e Ciências Nucleares; o ex-aluno de pós-graduação Bolin Liao, agora professor assistente na Universidade da Califórnia em Santa Bárbara; Liang Fu, o professor associado de Física da Biedenharn; e Gang Chen, o professor de Soderberg e chefe do Departamento de Engenharia Mecânica.

Um caminho viajado livremente

Quando um material termoelétrico é exposto a um gradiente de temperatura - por exemplo, uma extremidade é aquecida, enquanto a outra é resfriada - elétrons nesse material começam a fluir da extremidade quente para a extremidade fria, gerando uma corrente elétrica. Quanto maior a diferença de temperatura, mais corrente elétrica é produzida e mais energia é gerada. A quantidade de energia que pode ser gerada depende das propriedades particulares de transporte dos elétrons em um determinado material.

Cientistas observaram que alguns materiais topológicos podem ser transformados em dispositivos termoelétricos eficientes por meio de nanoestruturação, uma técnica que os cientistas usam para sintetizar um material, padronizando suas características na escala de nanômetros. Os cientistas pensaram que a vantagem termoelétrica dos materiais topológicos vem de uma condutividade térmica reduzida em suas nanoestruturas. Mas não está claro como esse aprimoramento na eficiência se conecta com as propriedades topológicas inerentes do material.

Para tentar responder a essa pergunta, Liu e seus colegas estudaram o desempenho termoelétrico do telureto de estanho, um material topológico que é conhecido por ser um bom material termoelétrico. Os elétrons no telureto de estanho também exibem propriedades peculiares que imitam uma classe de materiais topológicos conhecidos como materiais de Dirac.

A equipe teve como objetivo compreender o efeito da nanoestruturação no desempenho termoelétrico do telureto de estanho, simulando a maneira como os elétrons viajam através do material. Para caracterizar o transporte de elétrons, os cientistas freqüentemente usam uma medida chamada "caminho livre médio", ou a distância média que um elétron com uma determinada energia viajaria livremente dentro de um material antes de ser espalhado por vários objetos ou defeitos naquele material.

Materiais nanoestruturados se assemelham a uma colcha de retalhos de minúsculos cristais, cada um com bordas, conhecidas como limites de grãos, que separam um cristal do outro. Quando os elétrons encontram esses limites, eles tendem a se espalhar de várias maneiras. Elétrons com longos caminhos livres médios se espalharão fortemente, como balas ricocheteando de uma parede, enquanto elétrons com caminhos livres médios mais curtos são muito menos afetados.

Em suas simulações, os pesquisadores descobriram que as características eletrônicas do telureto de estanho têm um impacto significativo em seus caminhos livres médios. Eles plotaram a faixa de energias eletrônicas do telureto de estanho contra os caminhos livres médios associados, e descobriram que o gráfico resultante parecia muito diferente do da maioria dos semicondutores convencionais. Especificamente, para o telureto de estanho e possivelmente outros materiais topológicos, os resultados sugerem que os elétrons com energia mais alta têm um caminho livre médio mais curto, enquanto os elétrons de baixa energia geralmente possuem um caminho livre médio mais longo.

A equipe então analisou como essas propriedades eletrônicas afetam o desempenho termoelétrico do telureto de estanho, resumindo essencialmente as contribuições termoelétricas de elétrons com diferentes energias e significando caminhos livres. Acontece que a capacidade do material de conduzir eletricidade, ou gerar um fluxo de elétrons, sob um gradiente de temperatura, depende em grande parte da energia do elétron.

Especificamente, eles descobriram que os elétrons de baixa energia tendem a ter um impacto negativo na geração de uma diferença de tensão e, portanto, na corrente elétrica. Esses elétrons de baixa energia também têm caminhos livres mais longos, o que significa que eles podem ser dispersos pelos limites de grãos mais intensamente do que os elétrons de alta energia.

Dimensionamento para baixo

Indo um passo adiante em suas simulações, a equipe jogou com o tamanho dos grãos individuais do telureto de estanho para ver se isso tinha algum efeito no fluxo de elétrons sob um gradiente de temperatura. Eles descobriram que, quando diminuíam o diâmetro de um grão médio para cerca de 10 nanômetros, aproximando seus limites, eles observaram uma maior contribuição de elétrons de alta energia.

Ou seja, com tamanhos de grãos menores, os elétrons de energia mais alta contribuem muito mais para a condução elétrica do material do que os elétrons de energia mais baixa, já que eles têm caminhos livres médios mais curtos e são menos propensos a se espalharem contra os limites dos grãos. Isso resulta em uma diferença de tensão maior que pode ser gerada.

Além disso, os pesquisadores descobriram que a diminuição do tamanho médio de grãos do telureto de estanho para cerca de 10 nanômetros produzia três vezes a quantidade de eletricidade que o material teria produzido com grãos maiores.

Liu diz que, embora os resultados sejam baseados em simulações, os pesquisadores podem obter um desempenho similar, sintetizando o telureto de estanho e outros materiais topológicos, e ajustando seu tamanho de grão usando uma técnica de nanoestruturação. Outros pesquisadores sugeriram que o encolhimento do tamanho de grão de um material pode aumentar seu desempenho termoelétrico, mas Liu diz que eles assumiram que o tamanho ideal seria muito maior que 10 nanômetros.

"Em nossas simulações, descobrimos que podemos reduzir o tamanho do grão de um material topológico muito mais do que se pensava anteriormente e, com base nesse conceito, podemos aumentar sua eficiência", diz Liu.

O telureto de estanho é apenas um exemplo de muitos materiais topológicos que ainda precisam ser explorados. Se os pesquisadores puderem determinar o tamanho ideal de grão para cada um desses materiais, Liu diz que os materiais topológicos podem em breve ser uma alternativa viável e mais eficiente para produzir energia limpa.

"Eu acho que materiais topológicos são muito bons para materiais termoelétricos, e nossos resultados mostram que este é um material muito promissor para aplicações futuras", diz Liu.

Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Centro de Conversão de Energia Térmica Solar do Estado Sólido, um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia do Departamento de Energia dos EUA; e a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA).

Aumentando o calor nas termelétricas

Novos materiais, aquecidos sob campos magnéticos altos, podem produzir níveis recordes de energia, mostra o modelo.

Imagine poder abastecer seu carro em parte do calor que seu motor produz. Ou se você pudesse obter uma parte da eletricidade de sua casa do calor que uma usina emite? Tais cenários energeticamente eficientes podem um dia ser possíveis com melhorias em materiais termoelétricos - que espontaneamente produzem eletricidade quando um lado do material é aquecido.

Nos últimos 60 anos, os cientistas estudaram vários materiais para caracterizar seu potencial termoelétrico ou a eficiência com a qual eles convertem calor em energia. Mas, até hoje, a maioria desses materiais gerou eficiências que são muito baixas para qualquer uso prático generalizado.

Os físicos do MIT descobriram agora uma maneira de aumentar significativamente o potencial da termoeletricidade, com um método teórico que eles relatam hoje na Science Advances . O material que eles modelam com este método é cinco vezes mais eficiente e poderia gerar o dobro da quantidade de energia, como os melhores materiais termoelétricos que existem hoje.

"Se tudo der certo para os nossos sonhos mais loucos, então, de repente, muitas coisas que agora são ineficientes demais para se tornar mais eficientes", diz o autor Brian Skinner, pós-doutorando no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT. “Você pode ver nos carros das pessoas pequenos recuperadores termoelétricos que consomem o calor desperdiçado pelo motor do carro e o usam para recarregar a bateria. Ou esses dispositivos podem ser colocados em torno de usinas de energia de modo que o calor que foi anteriormente desperdiçado pelo seu reator nuclear ou usina de carvão agora é recuperado e colocado na rede elétrica ”.

Co-autora de Skinner no papel é Liang Fu, a Sarah W. Biedenharn Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira de Física no MIT, e um membro do Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT.

Encontrando furos em uma teoria

A capacidade de um material de produzir energia a partir do calor é baseada no comportamento de seus elétrons na presença de uma diferença de temperatura. Quando um lado de um material termoelétrico é aquecido, ele pode energizar os elétrons para se afastarem do lado quente e se acumularem no lado frio. O acúmulo resultante de elétrons pode criar uma tensão mensurável.

Materiais que até agora foram explorados geraram muito pouca energia termoelétrica, em parte porque os elétrons são relativamente difíceis de energizar termicamente. Na maioria dos materiais, os elétrons existem em bandas específicas ou faixas de energia. Cada banda é separada por uma lacuna - uma pequena faixa de energias na qual os elétrons não podem existir. Energizar elétrons o suficiente para atravessar uma lacuna de banda e migrar fisicamente através de um material tem sido extremamente desafiador.

Skinner e Fu decidiram olhar para o potencial termoelétrico de uma família de materiais conhecidos como semimetais topológicos. Em contraste com a maioria dos outros materiais sólidos, como semicondutores e isoladores, os semimetais topológicos são únicos, pois possuem intervalos de banda zero - uma configuração de energia que permite que os elétrons pulem facilmente para faixas de energia mais altas quando aquecidos.

Os cientistas supunham que os semimetais topológicos, um tipo relativamente novo de material que é amplamente sintetizado no laboratório, não gerariam muita energia termoelétrica. Quando o material é aquecido de um lado, os elétrons são energizados e se acumulam do outro lado. Mas à medida que esses elétrons carregados negativamente saltam para faixas de energia mais altas, eles deixam para trás o que é conhecido como “buracos” - partículas de carga positiva que também se acumulam no lado frio do material, anulando o efeito dos elétrons e produzindo muito pouca energia no final. .

Mas a equipe não estava pronta para descontar este material. Em uma pesquisa não relacionada , Skinner notou um efeito curioso em semicondutores que são expostos a um campo magnético forte. Sob tais condições, o campo magnético pode afetar o movimento dos elétrons, dobrando sua trajetória. Skinner e Fu imaginaram: Que tipo de efeito um campo magnético poderia ter em semimetais topológicos?

Eles consultaram a literatura e descobriram que uma equipe da Universidade de Princeton, na tentativa de caracterizar completamente um tipo de material topológico conhecido como seleneto de chumbo , também havia medido suas propriedades termoelétricas sob um campo magnético em 2013. Entre suas muitas observações do material, os pesquisadores relataram ter visto um aumento na geração termelétrica, sob um campo magnético muito alto de 35 tesla (a maioria das máquinas de ressonância magnética, para comparação, opera em torno de 2 a 3 tesla).

Skinner e Fu usaram propriedades do material do estudo de Princeton para modelar teoricamente o desempenho termoelétrico do material sob uma faixa de temperatura e condições de campo magnético.

"Nós finalmente descobrimos que sob um campo magnético forte, uma coisa engraçada acontece, onde você poderia fazer elétrons e buracos se moverem em direções opostas", diz Skinner. “Os elétrons vão em direção ao lado frio e furos em direção ao lado quente. Eles trabalham juntos e, em princípio, você pode obter uma tensão cada vez maior do mesmo material apenas tornando o campo magnético mais forte ”.

Poder tesla

Em sua modelagem teórica, o grupo calculou a ZT do chumbo-seleneto de estanho, ou figura de mérito, uma quantidade que indica quão próximo seu material está do limite teórico para gerar energia a partir do calor. Os materiais mais eficientes que foram relatados até agora têm um ZT de cerca de 2. Skinner e Fu descobriram que, sob um forte campo magnético de cerca de 30 tesla, o seleneto de chumbo pode ter um ZT de cerca de 10 - cinco vezes mais eficiente do que o termelétricas de melhor desempenho.

"Está fora de escala", diz Skinner. “Quando nos deparamos com essa ideia, pareceu um pouco dramática demais. Demorou alguns dias para me convencer de que tudo se somava ”.

Eles calculam que um material com um ZT igual a 10, se aquecido à temperatura ambiente a cerca de 500 kelvins, ou sob um campo magnético de 30 tesla, deveria ser capaz de transformar 18% desse calor em eletricidade, comparado a materiais com um ZT igual a 2, que só seria capaz de converter 8 por cento desse calor em energia.

O grupo reconhece que, para alcançar tais eficiências, os semimetais topológicos atualmente disponíveis teriam que ser aquecidos sob um campo magnético extremamente alto que só poderia ser produzido por um punhado de instalações no mundo. Para estes materiais serem práticos para uso em usinas de energia ou automóveis, eles devem operar na faixa de 1 a 2 tesla.

Fu diz que isso deve ser viável se um semimetal topológico estiver extremamente limpo, significando que há muito poucas impurezas no material que poderiam atrapalhar o fluxo dos elétrons.

“Tornar os materiais muito limpos é muito desafiador, mas as pessoas dedicam muito esforço ao crescimento de alta qualidade desses materiais”, diz Fu.

Ele acrescenta que o seleneto de estanho-chumbo, o material que eles focalizaram em seu estudo, não é o semimetal topológico mais limpo que os cientistas sintetizaram. Em outras palavras, pode haver outros materiais mais limpos que podem gerar a mesma quantidade de energia térmica com um campo magnético muito menor.

“Podemos ver que esse material é um bom material termoelétrico, mas deve haver outros melhores”, diz Fu. “Uma abordagem é pegar o melhor [semimetal topológico] que temos agora e aplicar um campo magnético de 3 tesla. Pode não aumentar a eficiência por um fator de 2, mas talvez 20 ou 50 por cento, o que já é um grande avanço ”.

A equipe registrou uma patente para sua nova abordagem termelétrica e está colaborando com os pesquisadores de Princeton para testar experimentalmente a teoria.

A pesquisa é apoiada pelo Centro de Excitonics do MIT e pelo Centro de Conversão de Energia Térmica Solar do Estado Sólido, que são Centros de Pesquisa de Fronteira de Energia do Departamento de Energia dos EUA, e pelo Departamento de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA.