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.
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