Il team di ricerca del NIST guidato da Kris Bertness sta esplorando un nuovo metodo di conversione del calore in elettricità e ha sviluppato un dispositivo per lo stesso. Una volta perfezionata questa tecnologia, convertirà il calore in elettricità che altrimenti andrebbe sprecato. La ricerca si basa sulla scoperta del fisico tedesco Thomas Seebeck. Questo team ha anche incorporato la scoperta fatta da Mahmoud Hussein nel suo studio sulla conversione termoelettrica.
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno progettato un nuovo dispositivo che, se perfezionato, potrebbe convertire con successo il calore in elettricità. Questa tecnologia ha il potenziale per recuperare l'energia termica dispersa negli Stati Uniti, che si stima venga sprecata a un ritmo impressionante di circa 100 miliardi di dollari all'anno.
Kris Bertness , ricercatrice presso il NIST, e il suo team hanno creato questa tecnica. Essa prevede il deposito di migliaia di colonne microscopiche di nitruro di gallio sulla superficie di un wafer di silicio. Il silicio viene successivamente rimosso strato per strato dalla parte inferiore del wafer fino a lasciare solo un sottile strato. Grazie all'interazione tra le colonne e lo strato di silicio, che rallenta il trasferimento di calore nel materiale, è possibile convertire una maggiore quantità di calore in corrente elettrica.
I fogli di silicio potrebbero essere avvolti attorno a tubi di vapore o di scarico una volta sviluppato il processo di fabbricazione per le emissioni di conversione del calore in elettricità che potrebbe essere utilizzata per alimentare dispositivi nelle vicinanze o essere inviata alla rete elettrica. Il raffreddamento dei chip dei computer sarebbe un altro possibile potenziale utilizzo.
Il fisico tedesco Thomas Seebeck fu il primo a notare un comportamento peculiare che costituì la base per lo studio congiunto del NIST e dell'Università del Colorado. All'inizio degli anni '1820 del XIX secolo, Seebeck iniziò a studiare un circuito formato da due fili metallici di diversa composizione, uniti alle estremità. Notò che, al variare della temperatura dei due punti di giunzione tra i fili, l'ago di una bussola vicina si defletteva.
Altri ricercatori hanno scoperto che la differenza di temperatura tra le due aree generava una tensione che a sua volta produceva una corrente, causando la deviazione dell'ago. Il campo magnetico generato dalla corrente provocava la ridirezione della direzione dell'ago della bussola.
L' effetto Seebeck , che in teoria converte il calore in elettricità, potrebbe essere il metodo migliore per riutilizzare l'energia termica che altrimenti andrebbe sprecata. Ma c'era un ostacolo significativo.
Per mantenere una differenza di temperatura, un materiale dovrebbe avere una bassa conduttività termica e un'alta conduttività elettrica per generare una quantità sostanziale di energia elettrica. La maggior parte dei materiali, tuttavia, mostra sia conduttività elettrica che termica; un cattivo conduttore elettrico mostra anche una scarsa conduttività termica, e viceversa.
Mahmoud Hussein dell'Università del Colorado, durante le sue ricerche sulla fisica della conversione termoelettrica, scoprì che queste proprietà potevano essere separate in una sottile membrana ricoperta di nanopilastri: colonne verticali di materiale non più lunghe di pochi milionesimi di metro, ovvero circa un decimo dello spessore di un capello umano. La sua scoperta ispirò il team e Bertness a lavorare su questa tecnologia.
Grazie all'ausilio dei nanopilastri, Bertness, Hussein e i loro colleghi sono riusciti a separare con successo la conduttività termica del foglio di silicio dalla sua conduttività elettrica . Si tratta di un risultato senza precedenti per qualsiasi materiale e di un passo significativo verso la realizzazione di una conversione efficiente del calore in elettricità.
Senza alterare la conduttività elettrica o l'effetto Seebeck, i ricercatori sono riusciti a ridurre del 21% la conduttività termica del foglio di silicio.
Leggi anche: Che cos'è un semiconduttore estrinseco?
Gli atomi sono legati insieme da legami e non sono in grado di muoversi liberamente per condurre calore nel silicio e in altri materiali. Di conseguenza, il movimento dell'energia termica si manifesta come fononi in movimento, che sono le vibrazioni collettive degli atomi. Sia il foglio di silicio che i nanopillari di nitruro di gallio trasportano fononi; tuttavia, i fononi all'interno dei nanopillari sono onde stazionarie che sono tenute ferme a entrambe le estremità dalle pareti delle minuscole colonne.
Questa interazione tra fononi e vibrazioni rallenta i fononi in movimento, rendendo più difficile il passaggio del calore attraverso il materiale. Di conseguenza, la conduttività termica si riduce e la differenza di temperatura tra le due estremità aumenta. Durante tutto questo processo, la conduttività elettrica del foglio di silicio rimane invariata.
Ora il team sta lavorando solo su strutture in silicio e seguendo una geometria migliore per il recupero di calore termoelettrico. Si aspettano di dimostrare un tasso elevato di conversione del calore in elettricità. Il tasso di conversione assicura che la tecnica diventi economicamente sostenibile per l'industria.
Fonte: comunicato stampa del NIST
