(Phys.org) -- I ricercatori stanno sviluppando una tecnica che utilizza la nanotecnologia per raccogliere energia da tubi caldi o componenti del motore per recuperare potenzialmente l'energia sprecata nelle fabbriche, centrali elettriche e automobili.

"La brutta verità è che il 58% dell'energia generata negli Stati Uniti viene sprecata sotto forma di calore, " ha detto Yue Wu, un assistente professore di ingegneria chimica della Purdue University. "Se potessimo recuperare solo il 10 percento, ciò ci consentirebbe di ridurre considerevolmente il consumo di energia e le emissioni delle centrali elettriche".

I ricercatori hanno rivestito le fibre di vetro con un nuovo materiale "termoelettrico" da loro sviluppato. Quando i materiali termoelettrici vengono riscaldati da un lato, gli elettroni fluiscono verso il lato più freddo, generando una corrente elettrica.

Le fibre rivestite potrebbero anche essere utilizzate per creare una tecnologia di raffreddamento a stato solido che non richieda compressori e refrigeranti chimici. Le fibre potrebbero essere tessute in un tessuto per realizzare indumenti rinfrescanti.

Le fibre di vetro vengono immerse in una soluzione contenente nanocristalli di tellururo di piombo e quindi esposte al calore in un processo chiamato ricottura per fondere insieme i cristalli.

Tali fibre potrebbero essere avvolte attorno a tubi industriali in fabbriche e centrali elettriche, così come sui motori delle auto e sui sistemi di scarico per autoveicoli, per recuperare gran parte dell'energia sprecata. La tecnologia "energy harvesting" potrebbe ridurre drasticamente la perdita di calore, ha detto Wu.

I risultati sono stati dettagliati in un documento di ricerca apparso il mese scorso sulla rivista Nano lettere. Il documento è stato scritto da Daxin Liang, un ex studente di scambio Purdue della Jilin University in Cina; gli studenti laureati della Purdue Scott Finefrock e Haoran Yang; e Wu.

I materiali termoelettrici ad alte prestazioni di oggi sono fragili, e i dispositivi sono formati da grandi dischi o blocchi.

"Questo tipo di metodo di produzione richiede l'utilizzo di molto materiale, " disse Wu.

I nuovi dispositivi flessibili si adatterebbero alle forme irregolari dei motori e dei tubi di scarico utilizzando una piccola frazione del materiale necessario per i dispositivi termoelettrici convenzionali.

"Questo approccio produce lo stesso livello di prestazioni dei materiali termoelettrici convenzionali ma richiede l'uso di molto meno materiale, che porta a costi inferiori ed è pratico per la produzione di massa, " disse Wu.

Il nuovo approccio promette un metodo che può essere scalato fino ai processi industriali, rendere fattibile la produzione di massa.

"Abbiamo dimostrato un materiale composto principalmente da vetro con un rivestimento di soli 300 nanometri di tellururo di piombo, " Ha detto Finefrock. "Quindi, mentre i dispositivi termoelettrici di oggi richiedono grandi quantità del costoso elemento tellurio, il nostro materiale contiene solo il 5% di tellurio. Prevediamo una produzione di massa per rivestire rapidamente le fibre in un processo da bobina a bobina".

Oltre a generare elettricità in caso di esposizione al calore, i materiali possono essere utilizzati anche in modo inverso:l'applicazione di una corrente elettrica fa sì che assorba calore, che rappresenta un possibile metodo di condizionamento dell'aria allo stato solido. Tali fibre potrebbero un giorno essere tessute in indumenti rinfrescanti o utilizzate in altre tecnologie di raffreddamento.

I ricercatori hanno dimostrato che il materiale ha una promettente efficienza termoelettrica, che viene misurato utilizzando una formula per determinare un'unità di misura chiamata ZT. Una parte fondamentale della formula è il "coefficiente di Seebeck, " chiamato per il fisico tedesco del XIX secolo Thomas Seebeck, che scoprì l'effetto termoelettrico.

ZT è definito dal coefficiente di Seebeck, insieme alla conduttività elettrica e termica del materiale e ad altri fattori. Avendo una bassa conducibilità termica, un elevato coefficiente di Seebeck e conducibilità elettrica determinano un numero ZT elevato.

"È difficile ottimizzare tutti e tre questi parametri contemporaneamente perché se aumenti la conduttività elettrica, e la conducibilità termica aumenta, il coefficiente di Seebeck diminuisce, " disse Wu.

La maggior parte dei materiali termoelettrici in uso commerciale ha uno ZT di 1 o inferiore. Però, materiali nanostrutturati potrebbero essere utilizzati per ridurre la conduttività termica e aumentare il numero ZT.

I ricercatori della Purdue hanno utilizzato il numero ZT per calcolare la massima efficienza teoricamente possibile con un materiale.

"Analizziamo l'abbondanza materiale, il costo, tossicità e prestazioni, e abbiamo stabilito un unico parametro chiamato rapporto di efficienza, " disse Wu.

Sebbene siano stati sviluppati materiali termoelettrici ad alte prestazioni, i materiali non sono pratici per applicazioni industriali diffuse.

"Quelli più performanti di oggi hanno una composizione complicata, rendendoli costosi e difficili da produrre, " Wu ha detto. "Inoltre, contengono materiali tossici, come l'antimonio, che limita la ricerca termoelettrica."

I nanocristalli sono un ingrediente fondamentale, in parte perché le interfacce tra i minuscoli cristalli servono a sopprimere la vibrazione della struttura del reticolo cristallino, riducendo la conducibilità termica. I materiali potrebbero esibire "confinamento quantico, " in cui le strutture sono così piccole che si comportano quasi come singoli atomi.

"Ciò significa che, poiché gli elettroni trasportano calore attraverso le strutture, la tensione media di quegli elettroni che trasportano calore è superiore a quella che sarebbe in strutture più grandi, " disse Finefrock. "Dato che hai elettroni a più alto voltaggio, puoi generare più potenza."

Questo confinamento può aumentare il numero ZT.

È stata depositata una domanda di brevetto negli Stati Uniti per il concetto di rivestimento in fibra.

Il lavoro futuro potrebbe concentrarsi sulla ricottura a temperatura più elevata per migliorare l'efficienza, e i ricercatori stanno anche esplorando un metodo diverso per eliminare del tutto la ricottura, che potrebbe consentire di rivestire fibre polimeriche al posto del vetro.

"I polimeri potrebbero essere intrecciati in un dispositivo indossabile che potrebbe essere un indumento rinfrescante, " disse Wu.

I ricercatori potrebbero anche lavorare per rivestire le fibre di vetro con un polimero per migliorare la resilienza del materiale termoelettrico, che tende a sviluppare piccole crepe quando le fibre sono piegate ad angoli acuti.

I ricercatori hanno dimostrato il concetto con un esperimento utilizzando un sistema contenente tubi di diverso diametro annidati all'interno di un tubo più grande. L'acqua calda scorre attraverso un tubo centrale e l'acqua più fredda scorre attraverso un tubo esterno, con uno strato di materiale termoelettrico tra i due.

I ricercatori della Purdue stanno anche esplorando altri materiali invece di piombo e tellurio, che sono tossici, e risultati preliminari suggeriscono che questi nuovi materiali sono capaci di un alto valore ZT.

"Certo, il fatto che il nostro processo utilizzi una quantità così piccola di materiale - uno strato di soli 300 nanometri di spessore - riduce al minimo il problema della tossicità, " Wu ha detto. "Tuttavia, ci stiamo anche concentrando su materiali atossici e abbondanti".