Une équipe de recherche du NIST, dirigée par Kris Bertness, explore une nouvelle méthode de conversion de chaleur en électricité et a développé un dispositif pour y parvenir. Une fois cette technologie perfectionnée, elle permettrait de convertir la chaleur en électricité, autrement gaspillée. Cette recherche s'appuie sur la découverte du physicien allemand Thomas Seebeck. Cette équipe a également intégré la découverte de Mahmoud Hussein dans son étude sur la conversion thermoélectrique.
Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont conçu un dispositif novateur qui, s'il est parfaitement perfectionné, pourrait convertir la chaleur en électricité. Cette technologie a le potentiel de récupérer l'énergie thermique gaspillée aux États-Unis, dont le coût est estimé à environ 100 milliards de dollars par an.
Kris Bertness , chercheuse au NIST, et son équipe ont mis au point cette technique. Elle consiste à déposer des milliers de colonnes microscopiques de nitrure de gallium sur une plaquette de silicium. Le silicium est ensuite détaché de la face inférieure de la plaquette, couche par couche, jusqu'à ce qu'il ne reste plus qu'une fine feuille. L'interaction entre les piliers et la feuille de silicium, qui ralentit le transfert de chaleur dans le matériau, permet de convertir davantage de chaleur en courant électrique.
Les feuilles de silicium pourraient être enroulées autour de tuyaux de vapeur ou d'échappement une fois le procédé de fabrication mis au point, afin de convertir la chaleur émise en électricité, laquelle pourrait alimenter des appareils à proximité ou être injectée dans le réseau électrique. Le refroidissement des puces informatiques serait une autre utilisation potentielle.
Le physicien allemand Thomas Seebeck fut le premier à observer un comportement particulier qui servit de base à l'étude menée conjointement par le NIST et l'Université du Colorado. Au début des années 1820, Seebeck entreprit d'étudier une boucle formée de deux fils métalliques de compositions différentes, reliés à leurs extrémités. Il remarqua que lorsque la température des deux jonctions unissant les fils variait, l'aiguille d'une boussole placée à proximité déviait.
D'autres chercheurs ont découvert que la différence de température entre les deux zones générait une tension et un courant qui provoquait la déviation. Le champ magnétique produit par ce courant entraînait la déviation de l'aiguille de la boussole.
L' effet Seebeck , qui permet en théorie de convertir la chaleur en électricité, pourrait être la meilleure méthode pour réutiliser l'énergie thermique qui serait autrement perdue. Mais un obstacle majeur se dressait sur son chemin.
Pour maintenir une différence de température, un matériau doit présenter une faible conductivité thermique et une conductivité électrique élevée afin de générer une quantité importante d'énergie électrique. Cependant, la majorité des matériaux présentent à la fois une conductivité électrique et thermique ; un mauvais conducteur électrique présente également une mauvaise conductivité thermique, et inversement.
Mahmoud Hussein , de l'Université du Colorado, a découvert, lors de ses recherches sur la physique de la conversion thermoélectrique, que ces propriétés pouvaient être séparées dans une fine membrane recouverte de nanopiliers – des colonnes verticales de matériau ne mesurant que quelques millionièmes de mètre, soit environ un dixième de l'épaisseur d'un cheveu. Sa découverte a incité l'équipe et Bertness à travailler sur cette technologie.
Grâce aux nanopiliers, Bertness, Hussein et leurs collègues sont parvenus à dissocier la conductivité thermique de la feuille de silicium de sa conductivité électrique . Il s'agit d'une première pour un matériau et d'une avancée majeure vers une conversion efficace de la chaleur en électricité.
Sans affecter sa conductivité électrique ni altérer l'effet Seebeck, les chercheurs ont réussi à réduire la conductivité thermique de la feuille de silicium de 21 %.
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Les atomes sont liés entre eux par des liaisons et ne peuvent se déplacer librement pour conduire la chaleur dans le silicium et d'autres matériaux. Par conséquent, le mouvement de l'énergie thermique se manifeste par des phonons mobiles, qui sont les vibrations collectives des atomes. La feuille de silicium et les nanopiliers de nitrure de gallium transportent tous deux des phonons ; cependant, les phonons contenus dans les nanopiliers sont des ondes stationnaires maintenues stationnaires à leurs deux extrémités par les parois des minuscules colonnes.
Cette interaction entre les phonons et les vibrations ralentit la propagation des phonons, ce qui entrave la transmission de la chaleur à travers le matériau. Par conséquent, la conductivité thermique diminue et l'écart de température entre les deux extrémités s'accroît. Durant tout ce processus, la conductivité électrique de la feuille de silicium reste inchangée.
L'équipe travaille désormais exclusivement sur des structures en silicium et recherche une géométrie optimisée pour la récupération de chaleur thermoélectrique. Elle espère démontrer un taux élevé de conversion de chaleur en électricité. Ce taux de conversion garantit la viabilité économique de la technique pour l'industrie.
Source : Communiqué de presse du NIST
