I generatori di energia termoelettrica che producono energia elettrica dal calore di scarto sarebbero uno strumento utile per ridurre le emissioni di gas serra se non fosse per un problema molto fastidioso:la necessità di stabilire contatti elettrici con il loro lato caldo, che spesso è semplicemente troppo caldo per materiali che possono generare una corrente.

Il calore provoca il guasto dei dispositivi nel tempo.

I dispositivi noti come termoelettrici trasversali evitano questo problema producendo una corrente che scorre perpendicolarmente al dispositivo conduttore, richiedendo contatti solo sull'estremità fredda del generatore. Sebbene considerata una tecnologia promettente, i materiali noti per creare questa tensione laterale sono poco efficienti, o almeno così pensavano gli scienziati.

I ricercatori dell'Ohio State University mostrano in un nuovo studio che un singolo materiale, un cristallo stratificato costituito dagli elementi renio e silicio, risulta essere il gold standard dei dispositivi termoelettrici trasversali.

Gli scienziati hanno dimostrato che questo singolo composto funziona come un generatore termoelettrico altamente efficace a causa di una proprietà rara:trasportare contemporaneamente cariche positive e negative che possono muoversi indipendentemente invece di correre parallele l'una all'altra, che li costringe a zigzagare verso i contatti per generare una corrente elettrica.

Costruendo un generatore termoelettrico con un cristallo lungo circa due pollici, i ricercatori hanno anche determinato che quando il cristallo si trova ad un angolo specifico nel dispositivo, può sfornare una quantità impressionante di potenza.

"Abbiamo dimostrato che questi materiali sono efficaci quanto la tecnologia convenzionale dei generatori termoelettrici, ma superare i suoi maggiori svantaggi, ", ha affermato il coautore dello studio Joshua Goldberger, professore di chimica e biochimica all'Ohio State.

"Questa è la prima volta che questo tipo di dispositivo è stato dimostrato essere fattibile. Con efficienze di ordini di grandezza superiori a qualsiasi precedente dispositivo trasversale, questo composto è buono quanto quello che puoi acquistare in commercio, ma promette di essere molto più semplice e affidabile."

La ricerca è pubblicata online sulla rivista Scienze energetiche e ambientali .

Mentre il 97% dell'energia è generata dal calore, buttiamo via la maggior parte del calore, lasciandolo fuoriuscire dalle ciminiere, tubi di scarico per auto e simili.

"Il calore disperso è davvero importante. Da sempre c'è stata una ricerca per migliorare l'efficienza di tutti i motori che producono energia dal calore, la quantità di lavoro che puoi ottenere da loro e che puoi utilizzare, " ha detto il coautore dello studio Joseph Heremans, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale e Ohio Eminent Scholar in Nanotechnology presso l'Ohio State.

"Per molto tempo, abbiamo sognato di trovare piccoli motori che non avrebbero parti mobili in grado di assorbire calore e produrre elettricità."

E ora l'hanno fatto.

La maggior parte dei materiali conduce un solo tipo di carica, facendo sì che la maggior parte dei dispositivi termoelettrici sia composta da più composti, ma la complessità di stabilire contatti con essi ha ostacolato gli sforzi per costruire un generatore termoelettrico efficiente ed efficace che sia facile da costruire e in grado di resistere alle alte temperature.

Due anni fa, questo gruppo di ricerca ha scoperto proprietà inaspettate in un composto diverso che ha permesso elettroni e lacune, le sorgenti delle cariche negative e positive, rispettivamente, che generano una corrente elettrica, correre lungo quella che potrebbe assomigliare a un'autostrada nord-sud per una carica e un'autostrada est-ovest per l'altra.

Dopo quella scoperta, i ricercatori hanno setacciato la ricerca esistente su altri cristalli che erano stati trovati da altri scienziati per fare la stessa cosa.

"Ci siamo interessati a questo perché all'inizio, non ci rendevamo conto che potesse esistere. Quando abbiamo capito che poteva esistere, abbiamo davvero spinto per trovare questi materiali, " ha detto Goldberger. Ad oggi, hanno confermato sperimentalmente 15 materiali con queste proprietà, su oltre 110, 000 strutture cristalline scoperte e catalogate in un database internazionale.

"Alcuni erano stati scoperti, ma nessuno è stato sfruttato per la funzionalità. Quello che abbiamo scoperto è che possiamo effettivamente fare qualcosa con esso, " disse Wolfgang Windl, un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Ohio State e coautore dello studio.

"Tutto quello che dobbiamo fare è mettere i fili a un'estremità e orientare il cristallo in un certo modo e all'improvviso abbiamo un generatore di corrente senza parti in movimento. E lo scaldi con il calore disperso che hai in casa, macchina o razzo, e questo genererà energia senza emissioni da sola e praticamente all'infinito. È un po' come la magia nera per me".

Teoricamente, un generatore realizzato con questo composto potrebbe essere utilizzato in qualsiasi luogo venga generato calore:la dimensione del cristallo può essere variabile, e in questo studio è stato dettato dalle dimensioni della fornace in cui è stato coltivato.

Heremans ha detto che il generatore potrebbe produrre abbastanza elettricità dallo scarico dell'auto per spingere il veicolo in avanti, ma preferisce l'idea di utilizzare questa tecnologia su scala ridotta:"Le applicazioni su scala ridotta sono dove le soluzioni complesse non sono benvenute perché sono troppo costose, " ha detto. "Ecco dove una soluzione semplice come questa è probabilmente la migliore".