Perseveranza, Il rover su Marte 2020 della NASA, è alimentato da qualcosa di molto desiderabile qui sulla Terra:un dispositivo termoelettrico, che converte il calore in elettricità utile.

Su Marte, la fonte di calore è il decadimento radioattivo del plutonio, e l'efficienza di conversione del dispositivo è del 4-5%. È abbastanza buono per alimentare Perseverance e le sue operazioni, ma non abbastanza buono per le applicazioni sulla Terra.

Un team di scienziati della Northwestern University e della Seoul National University in Corea ha ora dimostrato un materiale termoelettrico ad alte prestazioni in una forma pratica che può essere utilizzato nello sviluppo di dispositivi. Il materiale—seleniuro di stagno purificato in forma policristallina—supera le prestazioni della forma monocristallina nella conversione del calore in elettricità, rendendolo il sistema termoelettrico più efficiente mai registrato. I ricercatori sono stati in grado di raggiungere l'elevato tasso di conversione dopo aver identificato e rimosso un problema di ossidazione che aveva degradato le prestazioni in studi precedenti.

Il seleniuro di stagno policristallino potrebbe essere sviluppato per l'uso in dispositivi termoelettrici a stato solido in una varietà di industrie, con un risparmio energetico potenzialmente enorme. Un obiettivo applicativo chiave è catturare il calore di scarto industriale, ad esempio da centrali elettriche, l'industria automobilistica e le fabbriche di vetro e mattoni, e convertirla in elettricità. Oltre il 65% dell'energia prodotta a livello globale da combustibili fossili viene persa come calore di scarto.

"Sono in uso dispositivi termoelettrici, ma solo in applicazioni di nicchia, come nel rover su Marte, " ha detto Mercouri Kanatzidis della Northwestern, un chimico specializzato nella progettazione di nuovi materiali. "Questi dispositivi non hanno preso piede come le celle solari, e ci sono sfide significative per farne di buone. Ci stiamo concentrando sullo sviluppo di un materiale che sia a basso costo e ad alte prestazioni e spinga i dispositivi termoelettrici in un'applicazione più diffusa".

Kanatzidis, il professore di chimica Charles E. ed Emma H. ​​Morrison al Weinberg College of Arts and Sciences, è un autore corrispondente dello studio. Ha un appuntamento congiunto con il Laboratorio Nazionale Argonne.

I dettagli del materiale termoelettrico e le sue prestazioni record saranno pubblicati il ​​2 agosto sulla rivista Materiali della natura .

In Chung della Seoul National University c'è l'altro autore corrispondente dell'articolo. Vinayak Dravid, l'Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering presso la McCormick School of Engineering della Northwestern, è uno degli autori senior dello studio. Dravid è un collaboratore di lunga data di Kanatzidis.

I dispositivi termoelettrici sono già ben definiti, dice Kanatzidis, ma ciò che li fa funzionare bene o no è il materiale termoelettrico all'interno. Un lato del dispositivo è caldo e l'altro lato freddo. Il materiale termoelettrico si trova nel mezzo. Il calore scorre attraverso il materiale, e parte del calore viene convertito in elettricità, che lascia il dispositivo tramite fili.

Il materiale deve avere una conduttività termica estremamente bassa pur mantenendo una buona conduttività elettrica per essere efficiente nella conversione del calore di scarto. E poiché la fonte di calore potrebbe raggiungere i 400-500 gradi Celsius, il materiale deve essere stabile a temperature molto elevate. Queste e altre sfide rendono i dispositivi termoelettrici più difficili da produrre rispetto alle celle solari.

"Stava succedendo qualcosa di diabolico"

Nel 2014, Kanatzidis e il suo team hanno riportato la scoperta di un materiale sorprendente che era il migliore al mondo nel convertire il calore di scarto in elettricità utile:la forma cristallina del composto chimico seleniuro di stagno. Pur essendo un'importante scoperta, la forma a cristallo singolo è poco pratica per la produzione di massa a causa della sua fragilità e tendenza a sfaldarsi.

Seleniuro di stagno in forma policristallina, che è più forte e può essere tagliato e sagomato per applicazioni, era necessario, così i ricercatori si sono dedicati allo studio del materiale in quella forma. Con spiacevole sorpresa, hanno scoperto che la conduttività termica del materiale era elevata, non il livello basso desiderabile trovato nella forma a cristallo singolo.

"Ci siamo resi conto che stava accadendo qualcosa di diabolico, " Kanatzidis ha detto. "L'aspettativa era che il seleniuro di stagno in forma policristallina non avrebbe un'elevata conduttività termica, ma lo ha fatto. Abbiamo avuto un problema".

Ad un esame più attento, i ricercatori hanno scoperto una pelle di stagno ossidato sul materiale. Il calore scorreva attraverso la pelle conduttiva, aumentando la conducibilità termica, che è indesiderabile in un dispositivo termoelettrico.

Si trova una soluzione, aprire le porte

Dopo aver appreso che l'ossidazione proveniva sia dal processo stesso che dai materiali di partenza, il team coreano ha trovato un modo per rimuovere l'ossigeno. I ricercatori potrebbero quindi produrre pellet di seleniuro di stagno senza ossigeno, che hanno poi testato.

La vera conducibilità termica della forma policristallina è stata misurata ed è risultata inferiore, come originariamente previsto. Le sue prestazioni come dispositivo termoelettrico, convertire il calore in elettricità, superato quello della forma monocristallina, rendendolo il più efficiente mai registrato.

L'efficienza della conversione del calore residuo nei termoelettrici si riflette nella sua "figura di merito, " un numero chiamato ZT. Più alto è il numero, migliore è il tasso di conversione. Lo ZT del seleniuro di stagno monocristallino in precedenza è risultato essere approssimativamente compreso tra 2,2 e 2,6 a 913 Kelvin. In questo nuovo studio, i ricercatori hanno scoperto che il seleniuro di stagno purificato in forma policristallina aveva uno ZT di circa 3,1 a 783 Kelvin. La sua conduttività termica era bassissima, inferiore ai cristalli singoli.

"Questo apre le porte a nuovi dispositivi da costruire con pellet di seleniuro di stagno policristallino e le loro applicazioni esplorate, " disse Kanatzidis.

Northwestern possiede la proprietà intellettuale per il materiale di seleniuro di stagno. Le potenziali aree di applicazione del materiale termoelettrico includono l'industria automobilistica (una quantità significativa di energia potenziale della benzina esce dal tubo di scappamento di un veicolo), industrie manifatturiere pesanti (come la produzione di vetro e mattoni, raffinerie, centrali elettriche a carbone e a gas) e luoghi in cui i grandi motori a combustione funzionano continuamente (come nelle grandi navi e cisterne).

Il titolo dell'articolo è "SnSe policristallino con una figura termoelettrica di merito maggiore del monocristallo".