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).