I materiali termoelettrici convertono il calore in elettricità o viceversa. Però, la loro applicazione per raccogliere il calore di scarto è limitata dalle sfide nella fabbricazione e nei materiali. Trovare modi convenienti per coprire superfici grandi e potenzialmente complesse è rimasto un problema, ma è fondamentale per sfruttare le fonti di calore di scarto.

Gli scienziati dei materiali del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno utilizzato una tecnica di produzione additiva, chiamato deposito a spruzzo freddo, creare generatori termoelettrici in grado di raccogliere il calore di scarto da fonti prima inaccessibili, come tubi con geometrie complesse. I generatori mostrano buone prestazioni in un ampio intervallo di temperature.

Il calore di scarto è un'enorme risorsa non sfruttata. Tredici quadrilioni di BTU di energia vengono persi ogni anno a causa del calore disperso dall'industria statunitense. un BTU, o British Thermal Unit, è un'unità di misura dell'energia; 3, 600 BTU equivalgono a circa 1 kilowattora.

Ma solo tre quadrupli di BTU vengono recuperati e messi al lavoro attraverso la co-locazione dei processi, recupero energetico tramite caldaie e recupero termoelettrico. Una sfida nella raccolta dell'energia è ideare un generatore in grado di raccogliere in modo efficiente il calore. Perché un materiale termoelettrico sia efficace deve convertire il gradiente di temperatura in tensione. Richiede anche un'elevata conducibilità elettrica, ma bassa conducibilità termica.

Nella nuova ricerca, che appare nel Diario dei Minerali, Società di metalli e materiali ( JOM ), il team ha spruzzato a freddo una polvere di tellururo di bismuto su substrati che vanno dall'acciaio inossidabile al silicato di alluminio e al quarzo. Il materiale spruzzato aveva una microstruttura orientata casualmente in gran parte priva di pori e la deposizione a spruzzo freddo è stata ottenuta senza sostanziali cambiamenti di composizione.

"Questi risultati dimostrano la potenza e la versatilità della produzione additiva a spruzzo freddo e forniscono un percorso verso la fabbricazione di generatori termoelettrici in geometrie complesse che sono inaccessibili ai generatori realizzati con approcci tradizionali, " ha affermato il fisico dei materiali LLNL Alex Baker, autore principale del paper.

La deposizione a freddo di rivestimenti è ampiamente utilizzata nell'industria per rivestimenti resistenti alla corrosione, funzionalizzazione superficiale e riparazione localizzata. In questa tecnica, Le particelle metalliche su scala micron vengono trascinate nel gas supersonico e dirette su una superficie metallica. All'impatto, le particelle si deformano plasticamente e si legano alla superficie o l'una con l'altra.

La spruzzatura a freddo è stata tipicamente limitata a materiali malleabili, rendendolo adatto per elementi strutturali e leghe, ma non è ben attrezzato per materiali funzionali, che sono tipicamente fragili. In collaborazione con il partner industriale TTEC Thermoelectric Technologies, LLNL sta lavorando per estendere la gamma di materiali che possono essere spruzzati a freddo come parte del programma Technology Commercialization Funds (TCF) finanziato dal Dipartimento dell'Energia.

"Cold-spray opera a temperature relativamente basse, al di sotto del punto di fusione della maggior parte dei materiali funzionali, quindi è interessante considerare la possibilità di una tecnica di produzione additiva che preservi la microstruttura su misura che guida le proprietà funzionali, " ha detto il panettiere.

I generatori termoelettrici (TEG) non hanno parti in movimento, non si basano su reazioni chimiche e hanno una lunga vita operativa senza necessità di manutenzione, rendendoli ottimi candidati per fonti di alimentazione in luoghi remoti o inaccessibili. Ad oggi, l'adozione di TEG per raccogliere il calore di scarto è stata limitata, in parte a causa della difficoltà di fabbricare parti che entrano in intimo contatto termico con le alette di raffreddamento o irradiate dai tubi di trasferimento.

Il team ha concluso che la deposizione a freddo può fabbricare pezzi sfusi di bismuto-tellururo termoelettrico su un'ampia varietà di substrati, senza perdita di integrità strutturale, dimostrando che la spruzzatura a freddo è una valida alternativa agli approcci di produzione tradizionali per i materiali termoelettrici.

"Uno dei nostri obiettivi è portare questa tecnologia a LLNL, dove può essere applicato a una vasta gamma di problemi di produzione additiva, " disse Harry Radousky, Investigatore principale TCF.