Seu volante esteve quente demais para tocar neste verão? Um novo material termelétrico publicado no jornal Ciência poderia oferecer alívio.

A adoção generalizada de dispositivos termoelétricos que podem converter diretamente eletricidade em energia térmica para resfriamento e aquecimento foi prejudicada, em parte, pela falta de materiais baratos e altamente eficientes à temperatura ambiente.

Agora, pesquisadores da Universidade de Houston e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts relataram a descoberta de um novo material que funciona com eficiência em temperatura ambiente, embora quase não necessite de telúrio caro, um componente importante do material atual de última geração.

O trabalho, descrito em um artigo publicado online por Ciência Quinta-feira, 18 de julho tem aplicações potenciais para manter dispositivos eletrônicos, veículos e outros componentes de superaquecimento, disse Zhifeng Ren, autor correspondente sobre o trabalho e diretor do Texas Center for Superconductivity at UH, onde também é Professor de Física M.D. Anderson.

“Produzimos um novo material, que é barato, mas ainda tem um desempenho quase tão bom quanto o tradicional, material mais caro, "Disse Ren. Os pesquisadores dizem que trabalhos futuros podem fechar a ligeira lacuna de desempenho entre seu novo material e o material tradicional, uma liga à base de bismuto-telúrio.

Os materiais termoelétricos funcionam explorando o fluxo da corrente de calor de uma área mais quente para uma área mais fria, e módulos de resfriamento termoelétricos operam de acordo com o efeito Peltier, que descreve a transferência de calor entre duas junções elétricas.

Materiais termoelétricos também podem ser usados ​​para transformar o calor residual - de usinas de energia, tubos de escape de automóveis e outras fontes - em eletricidade, e uma série de novos materiais foram relatados para essa aplicação, que requer materiais para funcionar em temperaturas muito mais altas.

Módulos de resfriamento termoelétricos representam um grande desafio porque eles têm que trabalhar em temperaturas mais baixas, onde a figura de mérito termoelétrica, ou ZT, é baixo porque depende da temperatura. A figura de mérito é uma métrica usada para determinar a eficiência com que um material termoelétrico funciona.

Apesar do desafio, módulos de resfriamento termoelétricos também, pelo menos por agora, oferecem mais potencial comercial, em parte porque eles podem operar por uma longa vida útil em temperaturas mais baixas; a geração de energia termelétrica é complicada por questões relacionadas às altas temperaturas em que opera, incluindo oxidação e instabilidade térmica.

O mercado de resfriamento termelétrico está crescendo. "O mercado global de módulos termelétricos valia ~ 0,6 bilhões de dólares americanos em 2018 e prevê-se que chegue a ~ 1,7 bilhões de dólares americanos em 2027, "escreveram os pesquisadores.

Ligas de bismuto-telúrio têm sido consideradas o material de melhor desempenho para resfriamento térmico por décadas, mas os pesquisadores disseram que o alto custo do telúrio limita o uso generalizado. Jun Mao, pesquisador pós-doutorado no UH e primeiro autor do artigo, disse que o custo caiu recentemente, mas permanece em torno de US $ 50 / quilograma. Isso se compara a cerca de US $ 6 / quilograma de magnésio, um componente principal do novo material.

Além de Ren e Mao, autores adicionais no papel incluem Hangtian Zhu, Zihang Liu e Geethal Amila Gamage, todos do Departamento de Física do UH e TcSUH, e Zhiwei Ding e Gang Chen do Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

Eles relataram que o novo material, composto de magnésio e bismuto e criado em uma forma que carrega uma carga negativa, conhecido como tipo n, era quase tão eficiente quanto o material tradicional de bismuto-telúrio. Este, combinado com o custo mais baixo, deve ampliar o uso de módulos termelétricos para refrigeração, eles disseram.

Para produzir um módulo termelétrico usando o novo material, pesquisadores combinaram com um carregamento de carga positiva, ou tipo p, versão da liga tradicional de bismuto-telúrio. Mao disse que isso lhes permitia usar apenas a metade do telúrio da maioria dos módulos atuais.

Como o custo dos materiais representa cerca de um terço do custo do dispositivo, essa economia se soma, ele disse.

O novo material também mantém contato elétrico com mais sucesso do que a maioria dos materiais nanoestruturados, os pesquisadores relataram.