I produttori di vetro e acciaio producono grandi quantità di energia termica sprecata ad alte temperature, ma i dispositivi termoelettrici allo stato solido che convertono il calore in elettricità non funzionano a temperature sufficientemente elevate o costano così tanto che il loro uso è limitato ad applicazioni speciali come i veicoli spaziali. I ricercatori del MIT hanno sviluppato un dispositivo termoelettrico liquido con un composto fuso di stagno e zolfo in grado di convertire efficacemente il calore di scarto in elettricità, aprendo la strada alla trasformazione economica del calore di scarto in energia ad alte temperature.

Youyang Zhao, uno studente laureato in assistente professore di metallurgia del gruppo di ricerca di Antoine Allanore, costruito una cella di prova termoelettrica che opera allo stato liquido a temperature da 950 a 1, 074 gradi Celsius (1, 742 a 1, 965 gradi Fahrenheit). Dispositivi termoelettrici commerciali, a base di materiali come il tellururo di bismuto allo stato solido, operare a circa 500 C, e un blocco di tellururo di bismuto costa circa 150 volte di più del solfuro di stagno per metro cubo.

Una volta sciolto, il solfuro di stagno fornisce un'uscita termoelettrica coerente in un ampio intervallo di temperature fino a 200 gradi sopra il suo punto di fusione di 882 C, dice Zhao, primo autore di un articolo ECS Journal of Solid State Science and Technology, "Semiconduttori fusi per termoelettricità ad alta temperatura, " con Allanore e il neolaureato Charles Cooper Rinzler PhD '17. Zhao non ha riscontrato alcun calo significativo delle prestazioni quando ha spostato il dispositivo fino a 1, 074 C e di nuovo fino a 950 C per diverse ore.

"Per me, Per prima cosa riscaldo il campione fino al suo punto di fusione, quindi scansiono la temperatura fino a 200 C sopra la fusione e poi scansiono di nuovo mentre eseguo misurazioni multiple durante il riscaldamento e la parte di raffreddamento. Quello che abbiamo trovato è che la proprietà è abbastanza coerente, " dice Zhao.

Materiali per operazioni industriali su larga scala

Il dispositivo termoelettrico di Zhao opera in condizioni rilevanti per le applicazioni industriali, mentre il materiale che usava, solfuro di stagno, è interessante dal punto di vista dei costi, dice Allanore. I dispositivi termoelettrici funzionano mettendo insieme materiali che producono una tensione elettrica quando c'è una differenza di temperatura tra i loro lati caldi e freddi. In retromarcia, possono essere utilizzati come dispositivi di raffreddamento trasformando una corrente elettrica in un calo di temperatura. Tali dispositivi sono utilizzati, Per esempio, per riscaldare e raffreddare i sedili dei modelli di auto di lusso e per alimentare l'elettronica di bordo dei veicoli spaziali nei lunghi viaggi (utilizzando una fonte di energia nucleare e con dispositivi speciali che possono funzionare a temperature più elevate rispetto ai dispositivi commerciali).

È improbabile che i vantaggi ambientali derivanti dalla produzione di elettricità dai rendimenti del calore di scarto siano una motivazione primaria per i produttori di vetro e acciaio ad adottare questa tecnologia, suggerisce Allanore. Queste operazioni devono far funzionare i loro tini o forni a temperature di 1, 000 C o superiore per realizzare i loro prodotti, e ricavano i loro profitti da quei prodotti. Ma raggiungere questo calore elevato è un costo una tantum. Se la gestione termoelettrica di quel calore consente ai produttori di funzionare a più caldo, che potrebbe aumentare la produttività, o per prolungare la vita delle loro apparecchiature, allora saranno più propensi ad adattarlo, dice Allanore. "Sappiamo già che nello stato stazionario abbiamo 1, 000 gradi Celsius in quella posizione, " dice. E questo basta per fondere i materiali semiconduttori in un dispositivo termoelettrico liquido.

"All'inizio abbiamo pensato a come implementare su larga scala, su forni metallurgici ad alta temperatura, materiali che potrebbero recuperare il calore disperso. Questa è stata la nostra prima idea. Ma poi la seconda visione di questo è dire, cosa posso fare con quell'elettricità? Perché non lo utilizzerai per produrre elettricità, lo implementerai perché hai un vero vantaggio per la tua produzione, " Spiega Allanore. Riuscire a gestire il calore a temperature molto elevate grazie a materiali elettricamente attivi come i composti fusi è un vantaggio che ora è possibile.

Questi risultati possono avere un grande impatto sui produttori di metalli che già gestiscono centinaia di migliaia di tonnellate all'anno di solfuro di rame, solfuro di ferro, e materiali simili allo stato fuso, ma che attualmente non sfruttano le proprietà semiconduttive dei materiali. "Sappiamo come gestire queste cose su larga scala, "dice Allanore.

Nel 2013, Allanore e John F. Elliott, professore di chimica dei materiali, Donald R. Sadoway hanno sviluppato una lega economica di cromo e ferro per fungere da anodo nella produzione di acciaio attraverso l'elettrolisi dell'ossido fuso. Il processo produce metallo di elevata purezza e rilascia ossigeno invece di anidride carbonica, che è uno dei principali responsabili dell'effetto serra. Una società spin-out del MIT, Boston Electrometallurgical Corp., è nato da quel lavoro, che ha dimostrato la produzione di metallo fuso sulla scala di diverse centinaia di libbre al giorno.

Teoria dell'accoppiamento ed esperimento

Il nuovo lavoro sui dispositivi termoelettrici a temperature altrettanto elevate fornisce una conferma sperimentale del lavoro del collega di laboratorio Allanore Rinzler che spiega le basi teoriche per il comportamento dei semiconduttori nei composti metallici nei loro stato liquido. Il lavoro di Rinzler delinea un quadro predittivo per quantificare il profilo energetico (termodinamica), struttura chimica (configurazione degli atomi), e comportamento elettronico in alcuni composti semiconduttori liquidi, come solfuro di stagno o solfuro di rame.

"Non si tratta semplicemente di dire in quale intervallo di temperatura è possibile operare? È ciò che si può ottenere in condizioni pratiche di funzionamento che contano per l'applicazione in questione e a quale costo del materiale e del dispositivo, "dice Rinzler.

"La bellezza di qualcosa del genere siamo noi che possiamo catturare entrambi, possiamo migliorare la raccolta del calore residuo, a cui possiamo interessare dal punto di vista del risparmio energetico, ma l'industria è incoraggiata a usarlo perché in realtà li avvantaggia nel contesto a cui si interessano direttamente, "dice Rinzler.

Misurato su base dollaro per watt, Allanore spiega, i dispositivi al solfuro di stagno fuso potrebbero essere importanti per le industrie che operano ad alta temperatura. "Il dollaro per watt, quando si dispone di un'ampia superficie, è dettato dal costo del vostro materiale, " dice. Altri vantaggi del sistema proposto includono la semplicità di manipolazione di stagno e zolfo, la conduttività elettrica relativamente alta della miscela semiconduttiva e la tossicità relativamente bassa rispetto a composti come tellurio e tallio o piombo e zolfo.

Zhao è passato dall'idea al dispositivo funzionante in un anno, notevoli progressi per la ricerca scientifica, Note di Allanore. "Primo, è Youyang, chi è molto bravo, e in secondo luogo è lo stato liquido ... che rende possibile questo tipo di dimostrazione veloce, " dice. Zhao ha conseguito la laurea in scienze dei materiali e ingegneria presso la Georgia Tech nel 2013.

Sistema di autoguarigione

"Lo stato liquido perdona molto i grandi cambiamenti di temperatura in un modo in cui lo stato solido non lo è. Se pensi a un materiale allo stato solido che sta attraversando un tale intervallo di temperatura, hai sempre dilatazioni termiche, problemi meccanici, corrosione, " dice Allanore. Questi fenomeni impediscono a molti materiali solidi di essere reversibili, nel senso che man mano che la temperatura sale e scende, le prestazioni rimarranno le stesse. "Questa è di nuovo una delle caratteristiche dello stato liquido. Lo chiamiamo autoguarigione, " spiega. "Finché non si modifica macroscopicamente la composizione chimica, ottieni solo lo stesso materiale. Da un punto di vista ingegneristico e di adozione per applicazioni su larga scala, questa è una caratteristica molto importante".

"Penso che la gente ne abbia paura, in un senso, perché sembra pericoloso essere caldi e fusi, ma una volta che sei fuso e sai cosa stai facendo, è molto indulgente, "dice Allanore.

Per il loro dispositivo sperimentale, i ricercatori hanno adattato un design a cilindro concentrico simile a quello utilizzato dal compianto Robert K. Williams, un ricercatore di lunga data della divisione metallo e ceramica presso l'Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee, per uno studio del 1968 sulla conduttività termica nel solfuro d'argento fuso. "Hanno dimostrato che la convezione è un fattore molto importante nei liquidi, " dice Zhao. "E per noi, stiamo progettando un dispositivo. Non stiamo parlando solo delle proprietà del materiale. Dobbiamo considerare la geometria e il design della cella. Quando inserisci un nuovo materiale in un dispositivo, la proprietà complessiva potrebbe essere diversa dal materiale stesso. Quindi questo significa che è la proprietà liquida complessiva, possibilmente per effetto della convezione, che domina le prestazioni del dispositivo."

I ricercatori confrontano diversi materiali termoelettrici determinando la loro "figura di merito, " che è una misura dell'efficacia di ciascun materiale alla conversione termoelettrica. Per molti composti potenzialmente utili ad alta temperatura, Allanore dice, la figura di merito termoelettrica non è mai stata indagata, quindi il nuovo dispositivo fornisce anche un quadro sperimentale per valutare questo.

Ruolo della convezione

La cifra termoelettrica di merito di un dispositivo è leggermente diversa da quella del materiale termoelettrico che utilizza a causa degli effetti della convezione naturale e dell'interferenza del dispositivo stesso. Nella carta, Zhao dice, "Abbiamo riportato la cifra di merito del dispositivo, non necessariamente per il materiale, perché crediamo ci sia un contributo, o c'è un degrado delle prestazioni, dalla convezione naturale. In tal senso, se potessimo ridurre al minimo la convezione naturale, la cifra di merito per questo dispositivo potrebbe salire."

"Questo è il prossimo passo per il nostro studio, Zhao dice. "Attualmente sto cercando di studiare qual è l'effetto della convezione naturale sul coefficiente di Seebeck [una misura della forza di un materiale nel convertire il calore in elettricità] o sulla conduttività elettrica o termica".

I ricercatori del MIT hanno depositato una domanda di brevetto provvisoria per alcuni aspetti del loro lavoro.

"Il lavoro di Allanore è unico per il suo uso della forma liquida di semiconduttori solidi per convertire il calore in elettricità, "dice Michael Chabinyc, Professore e cattedra associato in materiali dell'Università della California a Santa Barbara, che non è stato coinvolto in questa ricerca. "Le proprietà dei semiconduttori liquidi sono state precedentemente studiate, ma il suo lavoro traduce questa conoscenza fondamentale in un'applicazione pratica. Un aspetto importante del lavoro è l'uso di materiali abbondanti in terra che forniscono un potenziale percorso per recuperare in modo economico l'energia sprecata sotto forma di calore".

Allanore spera che il lavoro allarghi la comprensione dei composti fusi. A differenza dei materiali solidi in cui gli atomi sono relativamente fissi, lui dice, gli atomi nei liquidi variano nella disposizione su una scala da alcuni micrometri a diversi millimetri. si potrebbe pensare, Per esempio, della differenza tra le molecole d'acqua in un blocco di ghiaccio congelato rispetto a quelle stesse molecole in una pentola di acqua bollente. "In un materiale fuso, hai un movimento costante, ed è una complessità che non è presente allo stato solido e non è descritta dai modelli esistenti della scienza dei materiali che insegniamo in classe, " dice Allanore. "Siamo tranquilli che un giorno faremo un ponte tra i due e poi sarà una storia completa che non parli solo della struttura elettronica e della proprietà, ma anche quella che chiamiamo chimica fisica, che è la viscosità, densità, diffusività, tutti questi fenomeni che sono essenziali allo stato liquido."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.