(Phys.org)—Attualmente, fino al 75% dell'energia generata dal motore di un'auto viene dispersa come calore di scarto. In teoria, parte di questo calore residuo può essere convertito in elettricità utilizzando dispositivi termoelettrici, anche se finora l'efficienza di questi dispositivi è stata troppo bassa per consentire una commercializzazione diffusa.

Ora in un nuovo studio, i fisici hanno dimostrato che un dispositivo termoelettrico fatto di nanofili può raggiungere un'efficienza sufficientemente elevata da essere competitivo a livello industriale, potenzialmente portando a miglioramenti nel risparmio di carburante e in altre applicazioni.

Gli scienziati, Khandker A. Muttalib e Selman Hershfield, entrambi professori di fisica all'Università della Florida a Gainesville, hanno pubblicato un articolo sul nuovo dispositivo termoelettrico in un recente numero di Revisione fisica applicata .

Oltre a recuperare energia dal calore disperso nei motori a combustione interna dei veicoli, dispositivi termoelettrici potrebbero svolgere funzioni simili anche nei motori delle navi, così come nelle centrali elettriche, raffinerie di produzione, e altri luoghi che producono grandi quantità di calore di scarto.

Nella loro carta, gli scienziati spiegano che l'utilizzo di materiali sfusi nei dispositivi termoelettrici si è rivelato intrinsecamente inefficiente, ma i materiali nanoingegnerizzati sembrano essere più promettenti. Il nuovo dispositivo consiste semplicemente di due grandi cavi a diverse temperature collegati da diversi non interagenti, nanofili molto sottili. Ogni nanofilo trasmette corrente dal cavo più caldo al cavo più freddo, e molti nanofili in parallelo possono scalare la potenza fino a livelli elevati.

Una delle maggiori sfide che devono affrontare i dispositivi termoelettrici è che le condizioni che ottimizzano l'efficienza e la potenza di un dispositivo sono diverse per i diversi gradienti di temperatura tra i due cavi e per i diversi carichi elettrici (quanta energia viene consumata in un dato momento). A causa di questa complessità, il dispositivo ottimale per un particolare gradiente di temperatura e carico potrebbe non funzionare altrettanto bene per un gradiente di temperatura o carico diverso.

I ricercatori qui hanno trovato un modo per aggirare questo problema applicando una tensione ai nanofili, che permette di trasmettere potenza lungo i nanofili solo ad energie superiori ad un certo valore. Questo valore dipende dal gradiente di temperatura e dal carico, che variano, ma la tensione applicata può anche essere variata per mettere a punto la trasmissione di potenza e contemporaneamente ottimizzare la potenza e l'efficienza del dispositivo.

L'uso di nanofili per collegare i cavi ha anche un vantaggio pratico rispetto all'utilizzo di altri materiali. Mentre molti altri materiali candidati sono difficili da produrre in modo affidabile, i nanofili possono essere prodotti in modo affidabile e controllabile, che è importante per realizzare le dimensioni ottimali precise.

Sebbene l'analisi teorica dei fisici suggerisca che il dispositivo proposto potrebbe avere vantaggi significativi in ​​termini di prestazioni rispetto ai dispositivi attuali, avvertono che è troppo presto per fare stime definitive.

"Qualsiasi stima a questo punto sarà inaffidabile perché ci sono così tanti modi per perdere calore in qualsiasi dispositivo pratico che la nostra proposta teorica non tiene conto, "Ha detto Muttalib Phys.org . "Anche allora, abbiamo fornito una stima molto grezza nel nostro articolo in cui sia l'efficienza che la potenza possono essere regolate (con una tensione di gate) per essere significativamente più grandi di qualsiasi dispositivo commerciale attualmente disponibile. Si noti che ci sono altre proposte teoriche con grande efficienza ma senza potenza sufficiente, e quindi non praticamente utilizzabile."

Più importante, i fisici sperano che le nuove idee qui presentate possano ispirare nuovi modi di pensare alla tecnologia termoelettrica.

"Forse il significato più grande è un possibile cambio di paradigma nella progettazione di dispositivi termoelettrici, " ha detto Muttalib. "Attualmente, il focus della comunità è prevalentemente nel cosiddetto regime di "risposta lineare" (dove la temperatura e i gradienti di tensione attraverso il materiale che collega i cavi caldi e freddi sono piccoli); le prestazioni di tali dispositivi dipendono esclusivamente dalle proprietà del materiale di collegamento. Ciò ha mantenuto gli sforzi attuali limitati alla ricerca o alla progettazione di un "buon" materiale termoelettrico. Il nostro lavoro suggerisce che, nel regime 'non lineare', le prestazioni del dispositivo dipendono inoltre in modo determinante dai parametri dei conduttori e dei carichi; l'ottimizzazione delle prestazioni in questi casi ha molte più interessanti possibilità da esplorare."

Sebbene questo lavoro offra molte nuove possibili direzioni per la ricerca futura, Muttalib e Hershfield sperano che saranno altri scienziati a portare avanti la tecnologia.

"Siamo entrambi fisici teorici che fanno ricerca nelle scienze di base, e in particolare non siamo esperti nella tecnologia dei dispositivi, " Ha detto Muttalib. "Ci siamo imbattuti nell'idea attuale mentre cercavamo di comprendere gli effetti della risposta non lineare sul trasporto di elettroni nei nanosistemi. Ci auguriamo che gli sperimentatori e gli ingegneri dei dispositivi trovino interessante il nostro lavoro e lo perseguano per costruire un dispositivo reale. Il nostro prossimo piano in quest'area generale è capire, ancora a un livello teorico molto fondamentale, gli effetti dei fononi o delle vibrazioni reticolari nei nanosistemi in genere; questi effetti sono noti per essere importanti anche per i dispositivi termoelettrici".

Il dispositivo termoelettrico basato su nanofili non è l'unico nuovo design termoelettrico apparso di recente. Nello stesso numero di Revisione fisica applicata , Riccardo Bosisio, et al., al Service de Physique de l'Etat Condensé in Francia hanno sviluppato un dispositivo termoelettrico in cui gli elettroni viaggiano attraverso i nanofili mediante "hopping assistito da fononi, " dove i fononi sono vibrazioni che trasportano calore.

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