(PhysOrg.com) -- I fisici dell'Università dell'Arizona hanno scoperto un nuovo modo di raccogliere il calore di scarto e trasformarlo in energia elettrica. Sfruttando gli effetti quantistici, la tecnologia è molto promettente per la produzione di automobili, centrali elettriche, fabbriche e pannelli solari più efficienti.

Cosa fa un motore di un'auto, una centrale elettrica, una fabbrica e un pannello solare hanno in comune? Tutti generano calore, molto del quale viene sprecato.

I fisici dell'Università dell'Arizona hanno scoperto un nuovo modo di raccogliere il calore di scarto e trasformarlo in energia elettrica.

Utilizzando un modello teorico di un cosiddetto dispositivo termoelettrico molecolare, la tecnologia è molto promettente per la produzione di automobili, centrali elettriche, fabbriche e pannelli solari più efficienti, per citare alcune possibili applicazioni. Inoltre, materiali termoelettrici più efficienti produrrebbero clorofluorocarburi dannosi per l'ozono, o CFC, obsoleto.

Il gruppo di ricerca guidato da Charles Stafford, professore associato di fisica, ha pubblicato i suoi risultati nel numero di settembre della rivista scientifica, ACS Nano .

"La termoelettricità consente di convertire in modo pulito il calore direttamente in energia elettrica in un dispositivo senza parti in movimento, " ha detto l'autore principale Justin Bergfield, un dottorando presso l'UA College of Optical Sciences.

"I nostri colleghi sul campo ci dicono che sono abbastanza fiduciosi che i dispositivi che abbiamo progettato al computer possano essere costruiti con le caratteristiche che vediamo nelle nostre simulazioni".

"Prevediamo che la tensione termoelettrica utilizzando il nostro design sia circa 100 volte più grande di quella che altri hanno raggiunto in laboratorio, " ha aggiunto Stafford.

Catturare l'energia persa attraverso il calore disperso è stato nella lista dei desideri degli ingegneri per molto tempo ma, finora, mancava un concetto di sostituzione dei dispositivi esistenti che fosse al tempo stesso più efficiente ed economicamente competitivo.

A differenza dei dispositivi di conversione del calore esistenti come frigoriferi e turbine a vapore, i dispositivi di Bergfield e Stafford non richiedono meccanismi e sostanze chimiche dannose per l'ozono. Anziché, un polimero simile alla gomma inserito tra due metalli che agiscono come elettrodi può fare il trucco.

I tubi di scarico dell'auto o della fabbrica potrebbero essere rivestiti con il materiale, meno di 1 milionesimo di pollice di spessore, raccogliere energia altrimenti persa sotto forma di calore e generare elettricità.

I fisici sfruttano le leggi della fisica quantistica, un regno in genere non sfruttato quando si progettano tecnologie per la generazione di energia. Per i non iniziati, le leggi della fisica quantistica sembrano volare di fronte a come le cose dovrebbero "comportarsi".

La chiave della tecnologia risiede in una legge quantistica che i fisici chiamano dualità onda-particella:piccoli oggetti come gli elettroni possono comportarsi sia come un'onda che come una particella.

"In un senso, un elettrone è come una macchina sportiva rossa, " disse Bergfield. "L'auto sportiva è sia un'auto che rossa, proprio come l'elettrone è sia una particella che un'onda. I due sono proprietà della stessa cosa. Gli elettroni sono solo meno ovvi per noi rispetto alle auto sportive".

Bergfield e Stafford hanno scoperto il potenziale per convertire il calore in elettricità quando hanno studiato gli eteri di polifenile, molecole che si aggregano spontaneamente in polimeri, lunghe catene di unità ripetitive. La spina dorsale di ogni molecola di polifenil etere è costituita da una catena di anelli benzenici, che a loro volta sono costituiti da atomi di carbonio. La struttura del collegamento a catena di ciascuna molecola agisce come un "filo molecolare" attraverso il quale possono viaggiare gli elettroni.

"Entrambi avevamo già lavorato con queste molecole e pensato di usarle per un dispositivo termoelettrico, "Bergefield ha detto, "ma non avevamo trovato nulla di speciale in loro fino a quando Michelle Solis, uno studente universitario che ha lavorato su uno studio indipendente in laboratorio, scoperto che, basso ed ecco, queste cose avevano una caratteristica speciale."

Utilizzando simulazioni al computer, Bergfield ha quindi "fatto crescere" una foresta di molecole racchiuse tra due elettrodi ed ha esposto l'array a una fonte di calore simulata.

"Man mano che aumenti il ​​numero di anelli benzenici in ogni molecola, aumenti la potenza generata, " ha detto Bergfield.

Il segreto della capacità delle molecole di trasformare il calore in energia risiede nella loro struttura:come l'acqua che raggiunge un bivio in un fiume, il flusso di elettroni lungo la molecola si divide in due quando incontra un anello benzenico, con un flusso di elettroni che segue lungo ciascun braccio dell'anello.

Bergfield ha progettato il circuito ad anello benzenico in modo tale che in un percorso l'elettrone sia costretto a percorrere una distanza maggiore intorno all'anello rispetto all'altro. Ciò fa sì che le due onde elettroniche siano fuori fase una volta che si riuniscono al raggiungimento del lato opposto dell'anello benzenico. Quando le onde si incontrano, si annullano a vicenda in un processo noto come interferenza quantistica. Quando viene applicata una differenza di temperatura attraverso il circuito, questa interruzione del flusso di carica elettrica porta alla formazione di un potenziale elettrico - tensione - tra i due elettrodi.

L'interferenza delle onde è un concetto sfruttato dalle cuffie con cancellazione del rumore:le onde sonore in ingresso vengono incontrate con controonde generate dal dispositivo, cancellando il rumore offensivo.

"Siamo i primi a sfruttare la natura ondulatoria dell'elettrone e a sviluppare un concetto per trasformarlo in energia utilizzabile, " ha detto Stafford.

Analogo allo stato solido rispetto alla memoria del computer del tipo a disco rigido rotante, i dispositivi termoelettrici progettati da UA non richiedono parti mobili. In base alla progettazione, sono autonome, più facile da produrre e più facile da mantenere rispetto alla tecnologia attualmente disponibile.

"Potresti semplicemente prendere un paio di elettrodi metallici e dipingerli con un singolo strato di queste molecole, "Ha detto Bergfield. "Questo ti darebbe un piccolo panino che fungerebbe da dispositivo termoelettrico. Con un dispositivo a stato solido non hai bisogno di agenti di raffreddamento, non hai bisogno di spedizioni di azoto liquido, e non hai bisogno di fare molta manutenzione."

"Potresti dire, invece del gas freon, usiamo gas di elettroni, " ha aggiunto Stafford.

"Gli effetti che vediamo non sono unici per le molecole che abbiamo usato nella nostra simulazione, " ha detto Bergfield. "Qualsiasi dispositivo su scala quantistica in cui si ha una cancellazione della carica elettrica andrà bene, finché c'è una differenza di temperatura. Maggiore è la differenza di temperatura, più potenza riesci a generare."

I dispositivi termoelettrici molecolari potrebbero aiutare a risolvere un problema che attualmente affligge le celle fotovoltaiche che raccolgono energia dalla luce solare.

"I pannelli solari si surriscaldano e la loro efficienza diminuisce, "Ha detto Stafford. "Potresti raccogliere parte di quel calore e utilizzarlo per generare elettricità aggiuntiva, raffreddando contemporaneamente il pannello e rendendo più efficiente il proprio processo fotovoltaico".

"Con un dispositivo termoelettrico molto efficiente basato sul nostro design, potresti alimentare circa 200 lampadine da 100 Watt utilizzando il calore disperso di un'automobile, " ha detto. "In altre parole, si potrebbe aumentare l'efficienza dell'auto di ben oltre il 25%, che sarebbe l'ideale per un ibrido poiché utilizza già un motore elettrico."

Così, la prossima volta che guardi un'auto sportiva rossa sfrecciare, pensate al potere nascosto dell'elettrone ea quanto più efficiente potrebbe essere un'auto sportiva con un dispositivo termoelettrico avvolto attorno al suo tubo di scarico.