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 Istituto Nazionale di Standard e Tecnologie (NIST) hanno progettato un nuovo dispositivo che, se perfetto, potrebbe convertire con successo il calore in elettricità. Questa tecnologia ha la potenziale per recuperare l'energia termica sprecata negli Stati Uniti, che si stima venga sprecato al ritmo impressionante di circa 100 miliardi di dollari all'anno.
Kris Bertness, ricercatrice del NIST, e il suo team hanno creato questa tecnica. Consiste nel depositare migliaia di colonne microscopiche di nitruro di gallio sulla parte superiore di un wafer di silicio. Successivamente, il silicio viene staccato strato per strato dalla parte inferiore del wafer, fino a quando non rimane solo un sottile foglio. Una maggiore quantità di calore può essere convertita in corrente elettrica a causa dell'interazione tra i pilastri e il foglio di silicio, che rallenta il calore trasferimento nel materiale.
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 Tommaso Seebeck fu il primo a notare un comportamento peculiare che servì come base per lo studio del NIST-University of Colorado. All'inizio degli anni '1820 dell'Ottocento, Seebeck iniziò a studiare un anello formato da due fili metallici di varie composizioni collegati a entrambe le estremità. Notò che, al variare delle temperature delle due giunzioni che tenevano insieme i fili, un ago di bussola nelle vicinanze si sarebbe deviato.
Altri ricercatori hanno scoperto che il tdifferenza di temperatura tra le due aree ha sviluppato una tensione e ha portato alla corrente che ha causato la deviazione. Il campo magnetico prodotto dalla corrente ha causato il reindirizzamento dell'ago della bussola.
Migliori Effetto Seebeck, in teoria per convertire 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.
Mahmud Hussein dell'Università del Colorado, durante la sua ricerca sulla fisica della conversione termoelettrica, scoprì che queste proprietà potevano essere separate in una sottile membrana ricoperta di nanopillari, colonne verticali di materiale non più lunghe di qualche milionesimo di metro, o circa un decimo dello spessore di un capello umano. La sua scoperta ispirò il team e Bertness a lavorare su questa tecnologia.
Con l'aiuto dei nanopillari, Bertness, Hussein e i loro colleghi sono riusciti a disaccoppiare la conduttività termica del foglio di silicio dalla sua conduttività elettricaSi tratta di una novità assoluta per qualsiasi materiale e di un passo significativo verso la possibilità 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.
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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 le vibrazioni rallentano i fononi in viaggio, rendendo più difficile al calore di passare attraverso il materiale. Di conseguenza, la conduttività termica si riduce e la differenza di temperatura da un'estremità all'altra aumenta. Durante tutto questo, non si verifica alcun cambiamento nella conduttività elettrica del foglio di silicio.
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
