Os materiais termoelétricos convertem calor em eletricidade ou vice-versa. Contudo, sua aplicação para coletar calor residual é limitada por desafios de fabricação e materiais. Encontrar maneiras econômicas de cobrir superfícies grandes e potencialmente complexas continua sendo um problema, mas é crucial para aproveitar as fontes de calor residual.

Os cientistas de materiais do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) usaram uma técnica de manufatura aditiva, chamado deposição de spray frio, para criar geradores termoelétricos que podem coletar calor residual de fontes anteriormente inacessíveis, como tubos com geometrias complexas. Os geradores apresentam bom desempenho em uma ampla faixa de temperatura.

O calor residual é um grande recurso inexplorado. Treze quatrilhões de BTUs de energia são perdidos anualmente por meio do calor residual da indústria dos EUA. Um BTU, ou British Thermal Unit, é uma unidade de medida de energia; 3, 600 BTU é equivalente a cerca de 1 quilowatt-hora.

Mas apenas três quads de BTU são recuperados e colocados para trabalhar por meio de colocalização de processos, recuperação de energia por meio de caldeiras e recuperação termoelétrica. Um desafio na coleta de energia é conceber um gerador que possa coletar o calor com eficiência. Para que um material termoelétrico seja eficaz, ele deve converter o gradiente de temperatura em voltagem. Também requer alta condutividade elétrica, mas baixa condutividade térmica.

Na nova pesquisa, aparecendo no Journal of The Minerals, Sociedade de Metais e Materiais ( JOM ), a equipe pulverizou a frio um pó de telureto de bismuto em substratos que variam de aço inoxidável a silicato de alumínio e quartzo. O material pulverizado tinha uma microestrutura orientada aleatoriamente em grande parte livre de poros e a deposição de pulverização a frio foi alcançada sem alterações composicionais substanciais.

"Esses resultados demonstram o poder e a versatilidade da fabricação de aditivos por spray a frio e fornecem um caminho para a fabricação de geradores termoelétricos em geometrias complexas que são inacessíveis a geradores feitos por abordagens tradicionais, "disse o físico de materiais do LLNL Alex Baker, autor principal do artigo.

A deposição de revestimentos por pulverização a frio é amplamente utilizada em toda a indústria para revestimentos resistentes à corrosão, funcionalização de superfície e reparo localizado. Nesta técnica, partículas de metal em escala mícron são arrastadas em gás supersônico e direcionadas para uma superfície de metal. Após o impacto, as partículas se deformam plasticamente e se ligam à superfície ou umas às outras.

A pulverização a frio tem sido normalmente limitada a materiais maleáveis, tornando-o adequado para elementos estruturais e ligas, mas não está bem equipado para materiais funcionais, que são normalmente frágeis. Em colaboração com o parceiro industrial TTEC Thermoelectric Technologies, O LLNL está trabalhando para estender a gama de materiais que podem ser pulverizados a frio como parte do programa Fundos de Comercialização de Tecnologia (TCF) financiado pelo Departamento de Energia.

"Cold-spray opera em temperaturas comparativamente baixas, abaixo do ponto de fusão da maioria dos materiais funcionais, por isso é atraente considerar a possibilidade de uma técnica de manufatura aditiva que preserva a microestrutura sob medida que impulsiona as propriedades funcionais, "Baker disse.

Geradores termoelétricos (TEGs) não têm partes móveis, não são baseados em reações químicas e têm longa vida útil sem requisitos de manutenção, tornando-os excelentes candidatos para fontes de energia em locais remotos ou inacessíveis. A data, a adoção de TEGs para coletar calor residual foi limitada, em parte devido à dificuldade de fabricação de peças que fazem contato térmico íntimo com aletas de resfriamento ou irradiadas de tubos de transferência.

A equipe concluiu que a deposição de spray frio pode fabricar pedaços a granel de telureto de bismuto termoelétrico em uma ampla variedade de substratos, sem perda de integridade estrutural, demonstrando que o spray frio é uma alternativa viável às abordagens tradicionais de fabricação de materiais termoelétricos.

“Um dos nossos objetivos é trazer esta tecnologia para o LLNL, onde pode ser aplicado a uma ampla gama de questões de manufatura aditiva, "disse Harry Radousky, Investigador principal do TCF.