Generar energia a partir de la calor

És possible poder alimentar el cotxe en part gràcies a la calor que emet el propi motor?. Què passa si es pot obtenir una part de l'electricitat de la llar a causa de la calor que emet una central elèctrica? Aquests escenaris d'eficiència energètica, un dia podrien ser possibles amb millores en materials termoelèctrics, que produeixen espontàniament electricitat quan s'escalfa un costat del material.

En els últims 60 anys, els científics han estudiat diversos materials per caracteritzar el seu potencial termoelèctric, o l'eficiència amb què converteixen la calor en potencia. Però fins a la data, la majoria d'aquests materials han proporcionat eficiències que són massa baixes per a un ús pràctic generalitzat.
Els físics del MIT han trobat una manera d'augmentar significativament el potencial de la termoelectricitat, gràcies al mètode que permet modelar aquest material d'una manera cinc vegades més eficient i què podria generar potencialment el doble d'energia, com els millors materials termoelèctrics que existeixen actualment.
Si tot l'estudi funciona, es podria obtenir una major eficiència. Probablement, es podran veure en els cotxes sistemes recuperadors termoelèctrics que agafaran aquesta calor de residus que el motor del cotxe està llençant i, per exemple, permetran recarregar la bateria. O bé, aquests dispositius es poden col·locar al voltant de les centrals elèctriques, de manera que la calor que anteriorment havia desaprofitat el reactor nuclear o la planta de carbó seria possible recuperar-la i lliurar-la a la xarxa elèctrica.

La capacitat d'un material per produir energia a partir de la calor es basa en el comportament dels seus electrons en presència d'una diferència de temperatura. Quan un dels costats d'un material termoelèctric s'escalfa, pot energitzar els electrons i fer-los saltar del costat calent i acumular-se al costat fred. L'acumulació resultant dels electrons pot crear una tensió mesurable.
Els materials que fins ara han estat explorats han generat molt poca potencia termoelèctrica, en part perquè els electrons són relativament difícils d'energitzar termicament. En la majoria dels materials, existeixen electrons en bandes específiques o en intervals d'energia. Cada banda està separada per un espai buit. Els electrons suficientment energitzants, poden creuar una banda i migrar físicament a través d'un material.

El investiguadors, van decidir mirar el potencial termoelèctric d'una família de materials coneguts com semimetals topològics. A diferència de la majoria d'altres materials sòlids, com ara semiconductors i aïllants, els semimetals topològics són únics, ja que tenen un buit de banda zero: una configuració d'energia que permet que els electrons puguin saltar fàcilment a bandes d'energia més alta quan s'escalfen.
Els científics havien assumit que els semimetals topològics, un tipus relativament nou de material sintetitzat en gran mesura al laboratori, no generarien molta potencia termoelèctrica. Quan el material s'escalfa d'un costat, els electrons s'energitzen i s'acumulen a l'altre extrem. Però a mesura que aquests electrons carregats negativament salten a bandes d'energia més alta, deixen enrere el que es coneix com a "forats" -partícules de càrrega positiva que també s'aprofiten al costat fred del material, cancel·lant l'efecte dels electrons i produint molt poca energia al final.
Però l'equip no estava prou preparat per descompondre aquest material. En una recerca poc relacionada, s'havia observat un efecte curiós en els semiconductors que estan exposats a un fort camp magnètic. En aquestes condicions, el camp magnètic pot afectar el moviment dels electrons, flexionant la seva trajectòria. D'aquí va sorgir la pegunta: Quin tipus d'efectes podria tenir un camp magnètic en semimetalls topològics?
Es va consultar la literatura i es va trobar que un equip de la Universitat de Princeton, en intentar caracteritzar completament un tipus de material topològic conegut com a plom d'aquest, també havia mesurat les seves propietats termoelèctriques sota un camp magnètic al 2013. Entre les seves nombroses observacions del material, els investigadors havien notificat haver experimentat un augment de la generació termoelèctrica sota un camp magnètic molt elevat de 35 tesla (la majoria de les màquines de ressonància magnètica, per comparació, operen entre 2 i 3 tesla).
El investigadors van utilitzar propietats dels materials de l'estudi Princeton per modelar teòricament el rendiment termoelèctric del material sota un rang de temperatures i condicions de camp magnètic.
Finalment es va descobrir que sota un camp magnètic fort, passa una cosa curiosa, on es podria fer que els electrons i els forats es moguessin en direccions oposades. Els electrons es dirigeixen cap al costat fred i els forats cap al costat calent. Funcionen conjuntament i, en principi, es pot obtenir una tensió més gran i del mateix material fent que el camp magnètic sigui més fort.

En la seva modelització teòrica, el grup calculava la ZT de l'estany o la quantitat de mèrit, una quantitat que indica el tancament del material al límit teòric per generar energia des de la calor. Els materials més eficients que s'han trobat fins ara, tenen una ZT d'aproximadament 2. Els investigadors van trobar que, sota un fort camp magnètic d'uns 30 tesla, el selenidi pot tenir una ZT d'aproximadament 10-cinc vegades més eficient que el millors termoelèctrics.
Es calcula que un material amb una ZT igual a 10, si s'escalfa a temperatura ambient a uns 500 kelvins o 440 graus Fahrenheit en un camp magnètic de 30 tesles, hauria de poder convertir el 18% d'aquesta calor en electricitat, en comparació amb materials amb una ZT igual a 2, que només podrien convertir el 8% d'aquesta calor en energia.
El grup reconeix que, per aconseguir eficiències tan altes, els semimetals topològics disponibles actualment haurien de ser escalfats sota un camp magnètic extremadament alt que només podria ser produït per un grapat d'instal·lacions del món. Perquè aquests materials siguin pràctics per al seu ús en centrals elèctriques o automòbils, han d'operar en el rang d'1 a 2 tesla.
Això hauria de ser factible si un semimetal topològic era extremadament net, el que significa que hi ha molt poques impureses en el material que aniria en el camí del flux dels electrons. Per tant, fer materials molt nets és molt desafiant, però s'han dedicat molts esforços pel creixement d'aquests materials d'alta qualitat.
El seleniè, el material en què es van centrar en el seu estudi, no és el semimetall topològic més net que els científics han sintetitzat. En altres paraules, pot haver-hi altres materials més nets que puguin generar la mateixa potència tèrmica amb un camp magnètic molt més petit.

Font: Massachusetts Institute of Technology