Os fabricantes de vidro e aço produzem grandes quantidades de energia térmica desperdiçada em altas temperaturas, mas os dispositivos termoelétricos de estado sólido que convertem calor em eletricidade não operam em temperaturas altas o suficiente ou custam tanto que seu uso é limitado a aplicações especiais, como naves espaciais. Os pesquisadores do MIT desenvolveram um dispositivo termoelétrico líquido com um composto fundido de estanho e enxofre que pode converter de forma eficiente o calor residual em eletricidade, abrindo o caminho para transformar o calor residual em energia em altas temperaturas.

Youyang Zhao, um estudante de graduação em grupo de pesquisa do professor assistente de metalurgia de Antoine Allanore, construiu uma célula de teste termoelétrica que opera em estado líquido em temperaturas de 950 a 1, 074 graus Celsius (1, 742 a 1, 965 graus Fahrenheit). Dispositivos termelétricos comerciais, com base em materiais como telureto de bismuto de estado sólido, operar a cerca de 500 C, e um bloco de telureto de bismuto custa cerca de 150 vezes mais do que o sulfeto de estanho por metro cúbico.

Uma vez derretido, sulfeto de estanho fornece uma produção termoelétrica consistente em uma ampla faixa de temperatura de até 200 graus acima de seu ponto de fusão de 882 C, diz Zhao, primeiro autor de um artigo do ECS Journal of Solid State Science and Technology, "Molten Semiconductors for High Temperature Thermoelectricity, "com Allanore e o recém-graduado Charles Cooper Rinzler PhD '17. Zhao não encontrou nenhuma queda significativa de desempenho enquanto ciclava o dispositivo para 1, 074 C e voltando para 950 C ao longo de várias horas.

"Para mim, Primeiro eu aqueço a amostra até seu ponto de fusão e, em seguida, examino a temperatura até 200 C acima do ponto de fusão e, em seguida, examino de volta enquanto faço várias medições durante o aquecimento e o resfriamento. O que descobrimos é que a propriedade é bastante consistente, "Zhao diz.

Materiais para operações industriais em grande escala

O dispositivo termoelétrico de Zhao opera em condições que são relevantes para aplicações industriais, enquanto o material que ele usou, sulfeto de estanho, é atraente do ponto de vista de custo, Allanore diz. Dispositivos termoelétricos funcionam juntando materiais que produzem uma voltagem elétrica quando há uma diferença de temperatura entre seus lados quente e frio. Ao contrário, eles podem ser usados ​​como dispositivos de resfriamento, transformando uma corrente elétrica em uma queda de temperatura. Esses dispositivos são usados, por exemplo, para aquecer e resfriar assentos em modelos de carros de luxo e para alimentar a eletrônica de bordo em espaçonaves em viagens longas (usando uma fonte de energia nuclear e com dispositivos especiais que podem operar em temperaturas mais altas do que dispositivos comerciais).

Os benefícios ambientais que a produção de eletricidade a partir da geração de calor residual provavelmente não serão o principal motivador para os fabricantes de vidro e aço adotarem essa tecnologia, Allanore sugere. Essas operações devem operar suas cubas ou fornos a temperaturas de 1, 000 C ou mais para fazer seus produtos, e eles lucram com esses produtos. Mas chegar a esse ponto alto é um custo único. Se o gerenciamento termoelétrico desse calor permite que os produtores operem de forma mais quente, o que poderia aumentar a produtividade, ou para prolongar a vida útil de seus equipamentos, então eles estarão mais propensos a adaptá-lo, Allanore diz. "Já sabemos que no estado estacionário temos 1, 000 graus Celsius naquele local, "diz ele. E isso é o suficiente para derreter os materiais semicondutores em um dispositivo termoelétrico líquido.

"No início, pensamos em como implementar em grande escala, em fornos metalúrgicos de alta temperatura, materiais que podem recuperar o calor residual. Essa foi a nossa primeira ideia. Mas então a segunda visão disso é dizer, o que posso fazer com essa eletricidade? Porque você não vai implantar isso para fazer eletricidade, você vai implantar isso porque tem um verdadeiro benefício para a sua produção, "Allanore explica. Ser capaz de gerenciar o calor em temperaturas muito altas graças a materiais eletricamente ativos como compostos fundidos é um benefício que agora é uma possibilidade.

Essas descobertas podem ter um grande impacto sobre os produtores de metais que já lidam com centenas de milhares de toneladas por ano de sulfeto de cobre, sulfeto de ferro, e materiais semelhantes em seu estado fundido, mas que atualmente não tiram proveito das propriedades semicondutoras dos materiais. "Nós sabemos como lidar com essas coisas em grande escala, "Allanore diz.

Em 2013, Allanore e John F. Elliott Professor de Química de Materiais Donald R. Sadoway desenvolveram uma liga barata de cromo e ferro para servir como ânodo na produção de aço por eletrólise de óxido fundido. O processo produz metal de alta pureza e libera oxigênio em vez de dióxido de carbono, que é um dos principais contribuintes para o efeito estufa. Uma empresa spinout do MIT, Boston Electrometallurgical Corp., cresceu a partir desse trabalho, que demonstrou a produção de metal fundido na escala de várias centenas de libras por dia.

Teoria de emparelhamento e experimento

O novo trabalho em dispositivos termoelétricos sob temperaturas igualmente altas fornece a confirmação experimental do trabalho do colega de laboratório de Allanore, Rinzler, explicando a base teórica para o comportamento de semicondutores em compostos metálicos em seus ambientes quentes, Estado líquido. O trabalho de Rinzler apresenta uma estrutura preditiva para quantificar o perfil de energia (termodinâmica), estrutura química (configuração de átomos), e comportamento eletrônico em certos compostos semicondutores líquidos, tais como sulfureto de estanho ou sulfureto de cobre.

"Não é uma simples questão de apenas dizer em que faixa de temperatura você pode operar? É o que você pode alcançar em condições práticas de operação que importam para a aplicação em questão e a que ponto de custo de material e dispositivo, "Rinzler diz.

"A beleza de algo assim é que podemos capturar ambos, podemos melhorar a coleta de calor residual, com o qual podemos nos importar de uma perspectiva de economia de energia, mas a indústria é incentivada a usá-lo porque na verdade os beneficia no contexto com o qual eles também se preocupam diretamente, "Rinzler diz.

Medido em uma base de dólar por watt, Allanore explica, dispositivos de sulfeto de estanho fundido podem ser importantes para indústrias que operam em alta temperatura. "O dólar por watt, quando você tem uma grande área de superfície, é ditado pelo custo do seu material, "afirma. Outras vantagens do sistema proposto são a simplicidade no manuseio de estanho e enxofre, a condutividade elétrica relativamente alta da mistura semicondutora e a toxicidade relativamente baixa em comparação com compostos como telúrio e tálio ou chumbo e enxofre.

Zhao mudou do conceito para o dispositivo funcional em um ano, progresso notável para a pesquisa científica, Anotações de Allanore. "Primeiro, é Youyang, quem é muito bom, e segundo é o estado líquido ... que torna esse tipo de demonstração rápida possível, ", diz ele. Zhao obteve seu bacharelado em ciência e engenharia de materiais pela Georgia Tech em 2013.

Sistema de autocura

"O estado líquido é muito indulgente com grandes mudanças de temperatura de uma forma que o estado sólido não é. Se você pensar em um material no estado sólido que está passando por tal faixa de temperatura, você sempre tem expansão térmica, problemas mecânicos, corrosão, "Diz Allanore. Esses fenômenos impedem que muitos materiais sólidos sejam reversíveis, no sentido de que, à medida que a temperatura sobe e desce, o desempenho permanecerá o mesmo. "Esta é novamente uma das características do estado líquido. Nós o chamamos de autocura, "ele explica." Contanto que você não mude a composição química macroscopicamente, você apenas obtém o mesmo material. Do ponto de vista da engenharia e adoção para aplicação em grande escala, este é um recurso muito importante. "

"Acho que as pessoas têm medo disso, num sentido, porque parece perigoso estar quente e derretido, mas uma vez que você está derretido e sabe o que está fazendo, é muito indulgente, "Allanore diz.

Para seu dispositivo experimental, os pesquisadores adaptaram um projeto de cilindro concêntrico semelhante ao usado pelo falecido Robert K. Williams, pesquisador de longa data da divisão de metal e cerâmica do Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee, para um estudo de 1968 de condutividade térmica em sulfeto de prata fundido. "Eles provaram que a convecção é um fator muito importante em líquidos, "Zhao diz." E para nós, estamos projetando um dispositivo. Não estamos falando apenas sobre as propriedades do material. Temos que considerar a geometria e o design da célula. Quando você coloca um novo material em um dispositivo, a propriedade geral pode ser diferente do próprio material. Isso significa que é a propriedade geral do líquido, possivelmente com efeito de convecção, que domina o desempenho do dispositivo. "

Os pesquisadores comparam diferentes materiais termoelétricos determinando sua "figura de mérito, "que é uma medida da eficácia de cada material na conversão termoelétrica. Para muitos compostos potencialmente úteis em alta temperatura, Allanore diz, a figura de mérito termoelétrica nunca foi investigada, portanto, o novo dispositivo também fornece uma estrutura experimental para avaliar isso.

Papel de convecção

A figura de mérito termoelétrica de um dispositivo é ligeiramente diferente do material termoelétrico que ele usa por causa dos efeitos da convecção natural, bem como da interferência do próprio dispositivo. No papel, Zhao diz, “Reportamos a figura de mérito do aparelho, não necessariamente para o material, porque acreditamos que há uma contribuição, ou há uma degradação de desempenho, da convecção natural. Nesse sentido, se pudéssemos minimizar a convecção natural, a figura de mérito para este dispositivo pode subir. "

"Essa é a próxima etapa do nosso estudo, "Zhao diz." Atualmente estou tentando estudar qual é o efeito da convecção natural no coeficiente de Seebeck [uma medida da resistência de um material na conversão de calor em eletricidade] ou na condutividade elétrica ou térmica. "

Os pesquisadores do MIT entraram com um pedido provisório de patente para certos aspectos de seu trabalho.

"O trabalho de Allanore é único pelo uso da forma líquida de semicondutores sólidos para converter calor em eletricidade, "diz Michael Chabinyc, Professor da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara e cadeira associada de materiais, que não esteve envolvido nesta pesquisa. "As propriedades dos semicondutores líquidos foram estudadas anteriormente, mas seu trabalho traduz esse conhecimento fundamental em uma aplicação prática. Um aspecto importante do trabalho é o uso de materiais abundantes em terra que fornecem um caminho potencial para recuperar energia desperdiçada como calor de maneira econômica. "

Allanore espera que o trabalho amplie a compreensão dos compostos fundidos. Ao contrário de materiais sólidos, onde os átomos são relativamente fixos, ele diz, os átomos em líquidos variam em arranjo em uma escala de vários micrômetros a vários milímetros. Alguém pode pensar, por exemplo, da diferença entre as moléculas de água em um bloco de gelo congelado e as mesmas moléculas em uma panela de água fervente. "Em um material fundido, você tem movimento constante, e é uma complexidade que não está presente em seu estado sólido e não é descrito pelos modelos existentes da ciência dos materiais que ensinamos em sala de aula, "Diz Allanore." Estamos confortáveis ​​de que um dia faremos a ponte entre os dois e então será uma história completa que fala não apenas sobre a estrutura e propriedade eletrônica, mas também o que chamamos de físico-química, que é a viscosidade, densidade, difusividade - todos esses fenômenos que são essenciais para o estado líquido. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.