Immagina di poter alimentare la tua auto in parte dal calore che emana il suo motore. O se potessi ottenere una parte dell'elettricità della tua casa dal calore emesso da una centrale elettrica? Tali scenari di efficienza energetica potrebbero un giorno essere possibili con miglioramenti nei materiali termoelettrici, che producono spontaneamente elettricità quando un lato del materiale viene riscaldato.

Negli ultimi 60 anni circa, gli scienziati hanno studiato una serie di materiali per caratterizzare il loro potenziale termoelettrico, o l'efficienza con cui convertono il calore in energia. Ma ad oggi, la maggior parte di questi materiali ha prodotto efficienze troppo basse per un uso pratico diffuso.

I fisici del MIT hanno ora trovato un modo per aumentare significativamente il potenziale della termoelettricità, con un metodo teorico che riportano oggi in Progressi scientifici . Il materiale che modellano con questo metodo è cinque volte più efficiente, e potrebbe potenzialmente generare il doppio della quantità di energia, come i migliori materiali termoelettrici che esistono oggi.

"Se tutto va bene per i nostri sogni più sfrenati, poi improvvisamente, molte cose che in questo momento sono troppo inefficienti da fare diventeranno più efficienti, ", afferma l'autore principale Brian Skinner, un postdoc nel Research Laboratory of Electronics del MIT. "Potresti vedere nelle auto delle persone piccoli recuperatori termoelettrici che prendono quel calore disperso che il motore della tua auto sta rimandando, e usalo per ricaricare la batteria. Oppure questi dispositivi possono essere posizionati intorno alle centrali elettriche in modo che il calore che era precedentemente sprecato dal tuo reattore nucleare o dalla centrale elettrica a carbone ora venga recuperato e immesso nella rete elettrica".

Il coautore di Skinner sull'articolo è Liang Fu, il Professore Associato di Fisica per lo sviluppo della carriera di Sarah W. Biedenharn al MIT.

Trovare buchi in una teoria

La capacità di un materiale di produrre energia dal calore si basa sul comportamento dei suoi elettroni in presenza di una differenza di temperatura. Quando un lato di un materiale termoelettrico viene riscaldato, può energizzare gli elettroni per allontanarsi dal lato caldo e accumularsi sul lato freddo. L'accumulo risultante di elettroni può creare una tensione misurabile.

I materiali finora esplorati hanno generato pochissima energia termoelettrica, in parte perché gli elettroni sono relativamente difficili da energizzare termicamente. Nella maggior parte dei materiali, gli elettroni esistono in bande specifiche, o intervalli di energia. Ogni banda è separata da uno spazio vuoto, una piccola gamma di energie in cui gli elettroni non possono esistere. Eccitare gli elettroni abbastanza da attraversare una banda proibita e migrare fisicamente attraverso un materiale è stato estremamente impegnativo.

Skinner e Fu decisero di esaminare il potenziale termoelettrico di una famiglia di materiali noti come semimetalli topologici. A differenza della maggior parte degli altri materiali solidi come semiconduttori e isolanti, i semimetalli topologici sono unici in quanto hanno zero band gap, una configurazione energetica che consente agli elettroni di saltare facilmente a bande di energia più elevate quando riscaldati.

Gli scienziati avevano ipotizzato che i semimetalli topologici, un tipo relativamente nuovo di materiale che è ampiamente sintetizzato in laboratorio, non genererebbe molta energia termoelettrica. Quando il materiale viene riscaldato da un lato, gli elettroni sono eccitati, e si accumulano dall'altra parte. Ma poiché questi elettroni caricati negativamente saltano a bande di energia più elevate, lasciano dietro di sé i cosiddetti "buchi", particelle di carica positiva che si accumulano anche sul lato freddo del materiale, annullando l'effetto degli elettroni e producendo alla fine pochissima energia.

Ma il team non era ancora pronto a scartare questo materiale. In un pezzo di ricerca non correlato, Skinner aveva notato un curioso effetto nei semiconduttori esposti a un forte campo magnetico. In tali condizioni, il campo magnetico può influenzare il movimento degli elettroni, piegando la loro traiettoria. Skinner e Fu si sono chiesti:che tipo di effetto potrebbe avere un campo magnetico nei semimetalli topologici?

Hanno consultato la letteratura e hanno scoperto che un team dell'Università di Princeton, nel tentativo di caratterizzare completamente un tipo di materiale topologico noto come seleniuro di piombo e stagno, aveva anche misurato le sue proprietà termoelettriche sotto un campo magnetico nel 2013. Tra le loro numerose osservazioni del materiale, i ricercatori avevano riferito di aver visto un aumento della generazione termoelettrica, sotto un campo magnetico molto alto di 35 tesla (la maggior parte delle macchine per risonanza magnetica, per confronto, operare da 2 a 3 tesla).

Skinner e Fu hanno utilizzato le proprietà del materiale dello studio di Princeton per modellare teoricamente le prestazioni termoelettriche del materiale in una gamma di condizioni di temperatura e campo magnetico.

"Alla fine abbiamo capito che sotto un forte campo magnetico, succede una cosa divertente, dove potresti far muovere elettroni e lacune in direzioni opposte, "Dice Skinner. "Gli elettroni vanno verso il lato freddo, e fori verso il lato caldo. Lavorano insieme e, in linea di principio, potresti ottenere una tensione sempre più grande dallo stesso materiale semplicemente rendendo il campo magnetico più forte."

Potenza Tesla

Nella loro modellizzazione teorica, il gruppo ha calcolato lo ZT del seleniuro di piombo e stagno, o figura di merito, una quantità che ti dice quanto il tuo materiale è vicino al limite teorico per la generazione di energia dal calore. I materiali più efficienti che sono stati segnalati finora hanno uno ZT di circa 2. Skinner e Fu hanno scoperto che, sotto un forte campo magnetico di circa 30 tesla, il seleniuro di piombo e stagno può avere uno ZT di circa 10—cinque volte più efficiente dei termoelettrici più performanti.

"È fuori scala, "Dice Skinner. "Quando ci siamo imbattuti per la prima volta in questa idea, sembrava un po' troppo drammatico. Ci sono voluti alcuni giorni per convincermi che tutto tornasse".

Calcolano che un materiale con ZT pari a 10, se riscaldato a temperatura ambiente a circa 500 kelvin, o 440 gradi Fahrenheit, sotto un campo magnetico di 30 tesla, dovrebbe essere in grado di trasformare il 18% di quel calore in elettricità, rispetto a materiali con ZT pari a 2, che sarebbe in grado di convertire solo l'8% di quel calore in energia.

Il gruppo riconosce che, per raggiungere efficienze così elevate, i semimetalli topologici attualmente disponibili dovrebbero essere riscaldati sotto un campo magnetico estremamente elevato che potrebbe essere prodotto solo da una manciata di strutture nel mondo. Affinché questi materiali siano pratici per l'uso in centrali elettriche o automobili, dovrebbero funzionare nell'intervallo da 1 a 2 tesla.

Fu dice che questo dovrebbe essere fattibile se un semimetallo topologico fosse estremamente pulito, il che significa che ci sono pochissime impurità nel materiale che potrebbero ostacolare il flusso degli elettroni.

"Rendere i materiali molto puliti è molto impegnativo, ma le persone hanno dedicato molti sforzi alla crescita di alta qualità di questi materiali, " dice Fu.

Aggiunge che piombo stagno seleniuro, il materiale su cui si sono concentrati nel loro studio, non è il semimetallo topologico più pulito che gli scienziati abbiano sintetizzato. In altre parole, ci possono essere altri, materiali più puliti che possono generare la stessa quantità di potenza termica con un campo magnetico molto più piccolo.

"Possiamo vedere che questo materiale è un buon materiale termoelettrico, ma ce ne dovrebbero essere di migliori, " Fu dice. "Un approccio è quello di prendere il miglior [semimetallo topologico] che abbiamo ora, e applicare un campo magnetico di 3 tesla. Potrebbe non aumentare l'efficienza di un fattore 2, ma forse il 20 o il 50 percento, che è già un bel passo avanti".

Il team ha depositato un brevetto per il loro nuovo approccio termoelettrico e sta collaborando con i ricercatori di Princeton per testare sperimentalmente la teoria.