A equipe de pesquisa do NIST liderada por Kris Bertness está explorando um novo método de conversão de calor em eletricidade e desenvolveu um dispositivo para o mesmo. Uma vez que essa tecnologia seja aperfeiçoada, ela converteria calor em eletricidade que, de outra forma, seria desperdiçada. A pesquisa é baseada na descoberta do físico alemão Thomas Seebeck. Esta equipe também incorporou a descoberta feita por Mahmoud Hussein em seu estudo de conversão termoelétrica.
Pesquisadores da Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) projetou um novo dispositivo que, se perfeito, poderia converter calor em eletricidade com sucesso. Esta tecnologia tem a potencial para recuperar a energia térmica desperdiçada nos Estados Unidos, que se estima ser desperdiçado a uma taxa impressionante de aproximadamente US$ 100 bilhões por ano.
Kris Bertness, uma pesquisadora do NIST, e sua equipe criaram essa técnica. Ela envolve depositar milhares de colunas microscópicas de nitreto de gálio em cima de uma pastilha de silício. O silício é subsequentemente descascado da parte inferior da pastilha, camada por camada, até que apenas uma fina folha seja deixada. Mais calor pode ser convertido em corrente elétrica devido à interação entre os pilares e a folha de silício, que diminui o calor transferência no material.
As folhas de silício podem ser enroladas em tubos de vapor ou de exaustão uma vez que o processo de fabricação é desenvolvido para emissões de conversão de calor em eletricidade que pode ser usada para alimentar dispositivos próximos ou ser enviada para a rede elétrica. Resfriar chips de computador seria outro possível uso potencial.
O físico alemão Thomas Seebeck foi o primeiro a notar um comportamento peculiar que serviu de base para o estudo do NIST-University of Colorado. No início da década de 1820, Seebeck começou a investigar um loop formado por dois fios de metal de várias composições ligados em ambas as extremidades. Ele notou que, à medida que as temperaturas das duas junções que mantinham os fios juntos variavam, uma agulha de bússola próxima desviava.
Outros pesquisadores descobriram que o tdiferença de temperatura entre as duas áreas desenvolveu uma voltagem e levou à corrente que causou a deflexão. O campo magnético produzido pela corrente fez com que a agulha da bússola fosse redirecionada.
O Efeito Seebeck, em teoria, para converter calor em eletricidade, pode ser o melhor método para reutilizar energia térmica que, de outra forma, seria desperdiçada. Mas havia um obstáculo significativo.
Para manter uma diferença de temperatura, um material deve ter baixa condutividade térmica e alta condutividade elétrica para gerar uma quantidade substancial de energia elétrica. A maioria dos materiais, no entanto, exibe condutividade elétrica e térmica; um mau condutor elétrico também exibe má condutividade térmica, e vice-versa.
Mahmoud Hussein da Universidade do Colorado, durante sua pesquisa sobre a física da conversão termoelétrica descobriu que essas propriedades poderiam ser separadas em uma membrana fina coberta com nanopilares — colunas de material de pé não maiores que alguns milionésimos de metro, ou aproximadamente um décimo da espessura de um fio de cabelo humano. Sua descoberta inspirou a equipe e Bertness a trabalhar nessa tecnologia.
Com a ajuda dos nanopilares, Bertness, Hussein e seus colegas conseguiram com sucesso desacoplar a condutividade térmica da folha de silício da sua condutividade elétrica. É uma novidade para qualquer material e um passo significativo para tornar possível a conversão eficiente de calor em eletricidade.
Sem afetar sua condutividade elétrica ou alterar o efeito Seebeck, os pesquisadores conseguiram reduzir a condutividade térmica da folha de silício em 21%.
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Os átomos são unidos por ligações e são incapazes de se mover livremente para conduzir calor em silício e outros materiais. Como resultado, o movimento da energia térmica se manifesta como fônons em movimento, que são as vibrações coletivas dos átomos. Tanto a folha de silício quanto os nanopilares de nitreto de gálio carregam fônons; no entanto, os fônons dentro dos nanopilares são ondas estacionárias que são mantidas estacionárias em ambas as extremidades pelas paredes das pequenas colunas.
Essa interação entre fônons e as vibrações desaceleram os fônons viajantes, dificultando a passagem do calor pelo material. Como resultado, a condutividade térmica é reduzida e a diferença de temperatura de uma extremidade para outra é aumentada. Durante tudo isso, não há alteração na condutividade elétrica da folha de silício.
Agora, a equipe está trabalhando somente em estruturas de silício e seguindo uma geometria melhor para recuperação de calor termoelétrica. Eles têm expectativas de demonstrar uma alta taxa de conversão de calor em eletricidade. A taxa de conversão garante que a técnica se torne economicamente viável para a indústria.
