Quasi il 70% dell'energia prodotta negli Stati Uniti ogni anno viene sprecata sotto forma di calore. Gran parte di quel calore è inferiore a 100 gradi Celsius ed emana da cose come computer, automobili o grandi processi industriali. Ingegneri dell'Università della California, Berkeley, hanno sviluppato un sistema a film sottile che può essere applicato a fonti di calore di scarto come queste per produrre energia a livelli senza precedenti per questo tipo di tecnologia.

Il sistema a film sottile utilizza un processo chiamato conversione dell'energia piroelettrica, che il nuovo studio degli ingegneri dimostra è adatto per attingere a fonti di energia termica di scarto inferiori a 100 gradi Celsius, chiamato calore di scarto di bassa qualità. Conversione di energia piroelettrica, come tanti sistemi che trasformano il calore in energia, funziona al meglio utilizzando cicli termodinamici, un po' come funziona il motore di un'auto. Ma a differenza del motore della tua macchina, la conversione dell'energia piroelettrica può essere realizzata interamente allo stato solido senza parti in movimento poiché trasforma il calore disperso in energia elettrica.

I nuovi risultati suggeriscono che questa tecnologia nanoscopica a film sottile potrebbe essere particolarmente interessante per l'installazione e la raccolta del calore di scarto dall'elettronica ad alta velocità, ma potrebbe avere un ampio campo di applicazioni. Per fonti di calore fluttuanti, lo studio riporta che il film sottile può trasformare il calore disperso in energia utilizzabile con una maggiore densità energetica, densità di potenza e livelli di efficienza rispetto ad altre forme di conversione dell'energia piroelettrica.

"Sappiamo di aver bisogno di nuove fonti di energia, ma dobbiamo anche fare di meglio nell'utilizzare l'energia che già abbiamo, " ha detto l'autore senior Lane Martin, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali. "Questi film sottili possono aiutarci a spremere più energia di quanto facciamo oggi da ogni fonte di energia".

La ricerca sarà pubblicata il 16 aprile sulla rivista Materiali della natura . La ricerca è stata sostenuta, in parte, da sovvenzioni dell'Ufficio di ricerca dell'esercito e della National Science Foundation.

Il comportamento piroelettrico è noto da tempo, ma misurare con precisione le proprietà delle versioni a film sottile dei sistemi piroelettrici è rimasta una sfida. Un contributo significativo del nuovo studio è quello di demistificare quel processo e migliorare la comprensione della fisica piroelettrica.

Il team di ricerca di Martin ha sintetizzato versioni a film sottile di materiali spessi appena 50-100 nanometri e poi, insieme al gruppo di Chris Dames, professore associato di ingegneria meccanica a Berkeley, fabbricato e testato le strutture del dispositivo piroelettrico basate su questi film. Queste strutture consentono agli ingegneri di misurare contemporaneamente la temperatura e le correnti elettriche create, e fonte di calore per testare le capacità di generazione di energia del dispositivo, il tutto su una pellicola con uno spessore inferiore a 100 nanometri.

"Creando un dispositivo a film sottile, possiamo far entrare e uscire rapidamente il calore da questo sistema, permettendoci di accedere alla potenza piroelettrica a livelli senza precedenti per fonti di calore che fluttuano nel tempo, " Martin ha detto. "Tutto ciò che stiamo facendo è procurarci calore e applicare campi elettrici a questo sistema, e possiamo estrarre energia."

Questo studio riporta nuovi record per la densità di energia di conversione dell'energia piroelettrica (1,06 Joule per centimetro cubo), densità di potenza (526 Watt per centimetro cubo) ed efficienza (19 percento dell'efficienza di Carnot, che è l'unità di misura standard per l'efficienza di un motore termico).

I prossimi passi in questa linea di ricerca saranno ottimizzare al meglio i materiali a film sottile in base a flussi e temperature di calore di scarto specifici.

"Parte di ciò che stiamo cercando di fare è creare un protocollo che ci permetta di spingere gli estremi dei materiali piroelettrici in modo che tu possa darmi un flusso di calore disperso e io possa procurarti un materiale ottimizzato per affrontare i tuoi problemi, " disse Martino.