Senti il ​​calore che esce dal tuo computer o dal tuo cellulare? È energia sprecata che si irradia dal dispositivo. Con le automobili, si stima che il 60% dell'efficienza del carburante vada perso a causa del calore disperso. È possibile catturare questa energia e convertirla in elettricità?

I ricercatori che lavorano nel campo della generazione di energia termoelettrica dicono assolutamente. Ma se può essere fatto in modo conveniente rimane una domanda.

Per adesso, i generatori termoelettrici sono una rarità, utilizzato principalmente in applicazioni di nicchia come sonde spaziali, dove il rifornimento non è possibile. La termoelettricità è un'area attiva di ricerca, in particolare tra le case automobilistiche come BMW e Audi. Però, ad oggi, il costo della conversione del calore in elettricità si è rivelato più elevato dell'elettricità stessa.

Anveeksh Koneru, un docente senior di ingegneria meccanica presso l'Università del Texas Permian Basin (UTPB), sta esplorando un nuovo metodo per catturare il calore di scarto sfruttando i movimenti quantomeccanici degli elettroni nei materiali con spin polarizzato.

Nella fisica delle particelle, lo spin è una forma intrinseca di momento angolare trasportato da particelle elementari, particelle composite (adroni), e nuclei atomici. Attraverso un meccanismo noto come effetto Spin Hall, è stato dimostrato che una tensione può essere generata sfruttando le differenze nelle popolazioni di spin su un contatto metallico fissato su un materiale ferromagnetico. Prima dimostrata sperimentalmente da ricercatori giapponesi nel 2008, l'idea si è diffusa nella scienza dei materiali per un po', ma deve ancora trovare la sua forma ottimale.

Koneru crede che, nell'ossido di cobalto, potrebbe aver trovato il materiale giusto per sfruttare l'effetto per la produzione di energia. Un composto inorganico utilizzato nell'industria della ceramica per creare smalti di colore blu, e nelle tecnologie di separazione dell'acqua, gli ossidi di cobalto possiedono la capacità unica di accettare cationi di metalli di transizione sostitutivi, che permette loro di essere miscelati con il nichel, rame, manganese, o zinco. Questi metalli hanno proprietà magnetiche che possono aumentare la separazione tra gli elettroni che ruotano su e giù e migliorare la conversione del calore in elettricità.

"Il materiale dovrebbe essere un buon conduttore elettrico, ma un cattivo conduttore termico. Dovrebbe condurre elettroni, ma non fononi, che sono calore, "Koneru ha detto. "Per studiare questo sperimentalmente, dovremmo fabbricare migliaia di diverse combinazioni di materiali. Anziché, stiamo cercando di calcolare teoricamente quale sia la configurazione ottimale del materiale utilizzando le sostituzioni".

Dal 2018, Koneru ha utilizzato i supercomputer del Texas Advanced Computing Center (TACC) per testare virtualmente i profili energetici di una varietà di ossidi di cobalto con una serie di sostituzioni.

"Ogni calibrazione richiede da 30 a 40 ore di tempo di calcolo, e dobbiamo studiare almeno un 1, 000 a 1, 500 diverse configurazioni, " ha spiegato. "Richiede un'enorme struttura di calcolo ed è ciò che fornisce TACC".

Koneru, insieme agli studenti laureati UTPB Gustavo Damis Resende, Nolan Hines, e un collaboratore della West Virginia University, Terenzio Musho, hanno presentato i loro primi risultati sulla capacità termoelettrica degli ossidi di cobalto al Materials Research Society Spring Meeting a Phoenix, Arizona, il 22 aprile.

I ricercatori hanno studiato celle unitarie da 56 atomi di tre configurazioni di ossido di cobalto, accordato da sostituzioni di nichel e zinco, per ottenere prestazioni termoelettriche ottimali. Hanno utilizzato un pacchetto software noto come Quantum ESPRESSO per calcolare le caratteristiche fisiche per ciascuna configurazione. Questi includono:

• il band gap:l'energia minima richiesta per eccitare un elettrone in uno stato in cui conduce energia; il parametro reticolo:le dimensioni fisiche delle celle in un reticolo cristallino;
• la massa effettiva degli elettroni di conduzione:la massa che una particella sembra avere quando risponde alla forza;
• e la polarizzazione di spin:il grado in cui lo spin è allineato con una data direzione.

Queste proprietà fondamentali sono state poi utilizzate per eseguire calcoli convenzionali di trasporto di carica e spin, che dice ai ricercatori quanto bene una configurazione dell'ossido di cobalto può trasformare il calore in elettricità.

Secondo i ricercatori, il metodo sviluppato in questa ricerca può essere applicato ad altri interessanti materiali termoelettrici con proprietà semiconduttive e magnetiche, rendendolo ampiamente utile per la comunità scientifica dei materiali.

UTILIZZO DELLA CYBERINFRASTRUTTURA DI UT RESEARCH

Come un dottorato di ricerca studente alla West Virginia University, Koneru aveva accesso a grandi supercomputer per condurre le sue ricerche. Sebbene UTPB non disponga di tali risorse a livello locale, è stato in grado di attingere ai sistemi e ai servizi informatici avanzati di TACC attraverso l'iniziativa UT Research Cyberinfrastructure (UTRC), quale, dal 2007, ha fornito ai ricercatori di una qualsiasi delle 14 istituzioni dell'Università del Texas System l'accesso alle risorse di TACC, competenza, e formazione.

Nell'ambito dell'iniziativa UTRC, Il personale TACC funge da collegamento, visitando i 14 campus di UT System, offrendo formazione e consulenza, e presentare ai ricercatori le risorse a loro disposizione. Quando il ricercatore del TACC Ari Kahn ha visitato l'UTPB, incontrò Koneru e lo incoraggiò a fare calcoli al TACC.

Da allora, Koneru ha utilizzato Lonestar5, un sistema esclusivo per i ricercatori di UT System, per il suo lavoro. Sebbene ancora nella loro fase iniziale, i risultati finora sono stati promettenti.

"Sono entusiasta perché abbiamo potuto vedere chiaramente la polarizzazione dello spin quando gli spinelli di ossido di cobalto sono stati sostituiti con il nichel. Questo è un buon segno, " ha detto. "Stiamo vedendo che una particolare configurazione ha una divisione più alta nel band-gap, qualcosa di sorprendente e che dobbiamo esplorare ulteriormente. E tutte le calibrazioni stanno convergendo, il che dimostra che sono affidabili."

Una volta identificato il materiale ottimale per la conversione del calore di scarto, Koneru spera di progettare una pasta che potrebbe essere applicata al tubo di scappamento di un veicolo, convertire il calore di scarto in elettricità per alimentare i sistemi elettrici di un'auto. Egli stima che un dispositivo del genere potrebbe costare meno di 500 dollari per veicolo e potrebbe ridurre le emissioni di gas serra di centinaia di milioni di tonnellate all'anno.

"Con i recenti progressi nella nanofabbricazione, e calibrazioni computazionali per i nanomateriali, i materiali spin-termali possono svolgere un ruolo vitale nella conversione dell'energia in futuro, " Egli ha detto.

TACC consente a Koneru di accelerare attraverso un gran numero di possibili configurazioni di materiali in modo che quando è il momento di testarli sperimentalmente, il numero di candidati sarà gestibile.

"TACC è un sistema molto utile con personale che può guidarti in caso di problemi, " disse Koneru. "Se la facoltà o gli studenti sono interessati a ricerche che richiedono strutture computazionali, TACC è l'opzione giusta da scegliere. Fornisce risorse e competenze gratuitamente. È un ottimo abilitatore per qualunque cosa ti appassioni. "

"La nostra missione è incoraggiare i ricercatori di tutto lo Stato a utilizzare le risorse TACC per fare scoperte straordinarie che non possono essere fatte in laboratorio o utilizzando cluster locali, " ha detto Ari Khan di TACC. "Dr. La ricerca di Koneru è un ottimo esempio di un progetto del genere che potrebbe avere un forte impatto sull'inquinamento atmosferico e sul riscaldamento globale".