Se os materiais termoelétricos podem converter calor de baixo grau em eletricidade, talvez nunca mais precisemos recarregar a tecnologia vestível em casa.

À noite, a maioria de nós conecta uma confusão de fios e dispositivos enquanto carregamos nossos relógios inteligentes, telefones e rastreadores de fitness. É uma pilha que dificilmente ficará menor à medida que mais e mais tecnologias vestíveis entram em nossas vidas. Os fabricantes e futuristas prevêem que em breve serão autossuficientes em energia e que estaremos livres de sua bagunça. Mas a questão permanece:como? No momento, as únicas fontes de energia portáteis importantes são os carregadores solares, mas estes têm limitações significativas em ambientes fechados e após o anoitecer.

Kedar Hippalgaonkar, Jianwei Xu e seus colegas de trabalho no Instituto de Pesquisa e Engenharia de Materiais (IMRE) da A * STAR acham que em breve poderão usar calor residual de baixo grau - pense no escapamento do carro ou no calor do corpo - para alimentar dispositivos.

"Uma enorme quantidade de calor residual de baixo grau está sendo despejada no meio ambiente", diz Hippalgaonkar. Converter esse calor em eletricidade é uma grande oportunidade que não deve ser perdida.

Geradores termoelétricos de alta temperatura já são uma fonte importante de energia para instrumentos espaciais. O Mars rover, Curiosidade, e a sonda espacial interestelar, Voyager 2, aproveitar o calor nuclear de longa duração. Este último funciona com este tipo de energia há mais de 40 anos. “A geração de energia termoelétrica não é uma ideia nova, "explica Hippalgaonkar." Tem sido investigado desde 1950 e tem havido muitas pesquisas sobre novos materiais, mas, no passado, a maior parte do trabalho se concentrava em substâncias tóxicas, materiais inorgânicos e aplicações com altas temperaturas de operação. "

Hippalgaonkar concorda que a proliferação de dispositivos da Internet das Coisas agora traz consigo uma demanda por produtos não tóxicos, fontes de energia portáteis. Futuros sensores corporais e dispositivos portáteis poderiam ser usados ​​constantemente se aproveitassem o calor corporal para serem autossuficientes em energia. "Mas, para isso, precisamos desenvolver novos materiais termoelétricos adequados que sejam eficientes em temperaturas mais baixas, não tóxico e barato de produzir. "

A outra grande oportunidade é fazer uso de qualquer calor residual que sai pelo escapamento do motor dos carros, aviões ou navios, ele adiciona. A eletricidade gerada poderia então ser alimentada de volta para o veículo, diminuindo sua pegada ambiental.

O projeto PHAROS da A * STAR está focado nos materiais que tornarão esses geradores termelétricos possíveis. O projeto de cinco anos começou em 2016 e visa encontrar uma composição de material que não seja tóxica e, idealmente, Terra abundante (tornando-a barata), eficiente, e fácil de fabricar. Para fazer isso, eles estão desenvolvendo materiais híbridos menos tóxicos combinando elementos orgânicos e inorgânicos, e estão buscando aqueles com potencial para geração de energia termoelétrica de baixa temperatura.

O projeto reúne Hippalgaonkar, um físico do estado sólido e um especialista no comportamento dos fônons, fótons e elétrons em materiais em nanoescala e 2-D, e Jianwei Xu, um químico com vasta experiência em pesquisa em materiais orgânicos, especialmente polímeros semicondutores.

Reduzindo o calor da energia térmica

Para carregar dispositivos pessoais usando materiais termoelétricos, um gerador aproveita o efeito Seebeck, em que uma diferença de temperatura cria uma voltagem elétrica na junção entre dois materiais diferentes (muitas vezes, mas não exclusivamente semicondutores dopados com p e n). Essa tensão pode ser usada para acionar um dispositivo ou carregar uma bateria.

A data, os materiais termoelétricos mais bem estabelecidos e bem-sucedidos foram baseados em teluretos de metal, incluindo telureto de chumbo e telureto de bismuto. Estes estão disponíveis comercialmente e foram aproveitados como fonte de energia no espaço, onde podem gerar eletricidade localmente para alimentar satélites e sondas espaciais. Mas eles só funcionam bem em altas temperaturas, e no espaço um isótopo nuclear a bordo é usado para gerar esse calor e criar um diferencial de alta temperatura. A abordagem pode atuar como um longo prazo, fonte de energia local, mas os riscos potenciais à saúde da radiação nuclear significam que ela não é adequada para muitas aplicações terrestres.

“Há uma falta de materiais eficientes que operem em torno da temperatura ambiente e é isso que queremos abordar com o projeto PHAROS, "diz Xu. No entanto, é uma tarefa desafiadora identificar novos materiais termelétricos candidatos, fabrique-os e entenda o que está acontecendo com as transferências de carga dentro deles.

A data, a equipe PHAROS tem explorado uma grande variedade de polímeros semicondutores conjugados (como a polianilina, P3HT ou PEDOT:PSS) para o componente orgânico de seus híbridos, que são então combinados com um componente inorgânico feito de, dizer, nanofios de telúrio, nanopartículas de silício ou materiais 2-D como MoS2, MoS2. Com estas, eles investigaram o uso de nanotubos de carbono como aditivo.

A equipe também explorou o potencial termoelétrico das perovskitas de metilamônio e iodeto de chumbo1, um sistema de material híbrido inorgânico-orgânico que ganhou fama nos últimos anos após seu uso bem-sucedido em células solares. Este material híbrido rivaliza com o silício em termos de eficiência de conversão de energia. A grande vantagem de usar um sistema parcialmente orgânico é que ele se adapta ao processamento da solução, que produz grandes áreas, afinar, materiais flexíveis que poderiam ser impressos a jato de tinta a baixo custo.

Contudo, para um material termoelétrico funcionar bem, ele idealmente precisa ter um grande coeficiente de Seebeck, que é um indicativo de quão grande será a tensão gerada para uma dada diferença de temperatura. E também é importante que o material tenha alta condutividade elétrica para permitir que uma carga flua facilmente, junto com baixa condutividade térmica para suportar o gradiente de temperatura no local.

"É muito difícil conseguir esses atributos simultaneamente, "diz Hippalgaonkar." O ideal é encontrar um material que combine a baixa condutividade térmica da madeira com a alta condutividade elétrica de um metal e isso não é fácil de fazer. "

Materiais com pontuação perfeita

Para tornar as comparações entre os materiais mais fáceis, algo chamado de 'valor ZT' foi desenvolvido para levar em consideração o coeficiente de Seebeck, condutividade térmica, condutividade elétrica e temperatura. "Nós realmente queremos algo que tenha um ZT de aproximadamente 1, "diz Xu, embora um número ZT tão alto não seja necessário para muitos usos. Atualmente, a 1 pode ser alcançado em telureto de bismuto e telureto de chumbo, mas ambos os materiais são tóxicos, caro para fabricar e rígido.

Recentemente, a equipe PHAROS desenvolveu um material mais seguro que é de 10 a 20% do caminho para um cartão de pontuação termelétrico perfeito. Eles fizeram isso em colaboração com pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), dos Estados Unidos, ao otimizar um sistema de materiais que combina um polímero conjugado cuidadosamente projetado com nanofios de telúrio. Encorajadoramente, Valores ZT de aproximadamente 0,1–0,2 foram alcançados2.

Esta descoberta foi ajudada por Shuo-Wang Yang do Instituto de Computação de Alto Desempenho da A * Star e sua equipe, que ajudou a explicar as interações entre os constituintes orgânicos e inorgânicos de materiais preparados pela equipe de Jeff Urban no LBNL. Com trabalhos experimentais e teóricos realizados pela equipe de Hippalgaonkar, a física de como a carga flui nesses materiais complexos foi detalhada pela primeira vez, estabelecendo uma base sólida para o desenvolvimento futuro.

"A interface entre a interface orgânica e inorgânica é muito importante para estudar, "Hippalgaonkar explica." A física de como a carga se move através de uma paisagem tão complexa é muito difícil de entender. "

"A termoelétrica será capaz de fornecer a você a oportunidade de realizar sensores autoalimentados mais rapidamente, "diz Hippalgaonkar. Monitores de frequência cardíaca, por exemplo, têm necessidades de energia muito modestas, na escala de algumas centenas de microwatts. Um material com um ZT de 1 operando com uma diferença de temperatura de cerca de 10˚C à temperatura ambiente gera cerca de 50 microwatts por centímetro quadrado, e, em teoria, O material mais recente do PHAROS pode atingir 10 microwatts por centímetro quadrado. Então, a energia themoelétrica vestível em pequena escala já está tentadoramente perto da realidade, Hippalgaonkar diz. E assim que sua promessa comercial começar a entrar em ação, seu trabalho só vai acelerar.

Geradores termoelétricos explicados

Um gerador termoelétrico (TEG) é um dispositivo que converte uma diferença de temperatura em uma voltagem, e gerencia o fluxo de corrente elétrica em um circuito. É um meio de converter o calor residual em eletricidade. Esses dispositivos operam devido ao efeito Seebeck, que foi descoberto pelo físico alemão Thomas Johann Seebeck em 1821.

Um TEG é normalmente feito usando semicondutores dopados do tipo p e n para criar dois caminhos que se conectam a eletrodos de metal de diferentes temperaturas, um quente, um resfriado. O efeito Seebeck significa que os buracos (portadores de carga elétrica positiva) no material do tipo p e os elétrons (portadores de carga negativa) no material do tipo n se difundem do eletrodo quente para o eletrodo frio, produzindo assim um fluxo de tensão e corrente. O processo também pode ser operado ao contrário, quando é conhecido como efeito Peltier e a injeção de uma corrente elétrica induz o resfriamento na junção do material. Resfriadores termoelétricos, também conhecido como resfriadores Peltier, são frequentemente usados ​​em dispositivos de pequena escala para controlar a temperatura de dispositivos eletrônicos e optoelétricos sensíveis, como diodos laser e fotodetectores.