Imagine ser capaz de fornecer energia ao seu carro em parte com o calor que o motor emite. Ou se você pudesse obter uma parte da eletricidade de sua casa com o calor que uma usina de energia emite? Esses cenários de eficiência energética podem um dia ser possíveis com melhorias em materiais termoelétricos - que produzem eletricidade espontaneamente quando um lado do material é aquecido.

Nos últimos 60 anos ou mais, os cientistas estudaram uma série de materiais para caracterizar seu potencial termoelétrico, ou a eficiência com que convertem calor em energia. Mas até agora, a maioria desses materiais rendeu eficiências que são muito baixas para qualquer uso prático generalizado.

Os físicos do MIT agora encontraram uma maneira de aumentar significativamente o potencial de termoeletricidade, com um método teórico que relatam hoje em Avanços da Ciência . O material que modelam com este método é cinco vezes mais eficiente, e poderia gerar potencialmente o dobro da quantidade de energia, como os melhores materiais termoelétricos que existem hoje.

"Se tudo correr bem nos nossos sonhos, então de repente, muitas coisas que agora são muito ineficientes para fazer se tornarão mais eficientes, "diz o autor principal Brian Skinner, um pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT. "Você pode ver nos carros das pessoas pequenos recuperadores termoelétricos que absorvem o calor que o motor do carro está adiando, e use-o para recarregar a bateria. Ou esses dispositivos podem ser colocados em torno de usinas de energia para que o calor que antes era desperdiçado por seu reator nuclear ou usina de carvão agora seja recuperado e colocado na rede elétrica. "

O co-autor de Skinner no artigo é Liang Fu, a Professora Associada de Física de Sarah W. Biedenharn para Desenvolvimento de Carreira no MIT.

Encontrando lacunas em uma teoria

A capacidade de um material de produzir energia a partir do calor é baseada no comportamento de seus elétrons na presença de uma diferença de temperatura. Quando um lado de um material termoelétrico é aquecido, pode energizar elétrons para saltar do lado quente e se acumular no lado frio. O acúmulo de elétrons resultante pode criar uma tensão mensurável.

Materiais que até agora foram explorados geraram muito pouca energia termoelétrica, em parte porque os elétrons são relativamente difíceis de energizar termicamente. Na maioria dos materiais, elétrons existem em bandas específicas, ou faixas de energia. Cada banda é separada por uma lacuna - uma pequena faixa de energias na qual os elétrons não podem existir. Energizar elétrons o suficiente para cruzar uma lacuna de banda e migrar fisicamente através de um material tem sido extremamente desafiador.

Skinner e Fu decidiram examinar o potencial termoelétrico de uma família de materiais conhecida como semimetais topológicos. Em contraste com a maioria dos outros materiais sólidos, como semicondutores e isoladores, os semimetais topológicos são únicos por terem zero band gaps - uma configuração de energia que permite que os elétrons saltem facilmente para bandas de energia mais alta quando aquecidos.

Os cientistas presumiram que semimetais topológicos, um tipo relativamente novo de material que é amplamente sintetizado no laboratório, não geraria muita energia termoelétrica. Quando o material é aquecido de um lado, elétrons são energizados, e se acumulam na outra extremidade. Mas, à medida que esses elétrons carregados negativamente saltam para bandas de energia mais alta, eles deixam para trás o que é conhecido como "buracos" - partículas de carga positiva que também se acumulam no lado frio do material, cancelando o efeito dos elétrons e produzindo muito pouca energia no final.

Mas a equipe ainda não estava pronta para descontar esse material. Em um pouco de pesquisa não relacionada, Skinner notou um efeito curioso em semicondutores que são expostos a um forte campo magnético. Sob tais condições, o campo magnético pode afetar o movimento dos elétrons, dobrando sua trajetória. Skinner e Fu se perguntaram:Que tipo de efeito um campo magnético pode ter nos semimetais topológicos?

Eles consultaram a literatura e descobriram que uma equipe da Universidade de Princeton, na tentativa de caracterizar completamente um tipo de material topológico conhecido como seleneto de chumbo e estanho, também mediu suas propriedades termoelétricas sob um campo magnético em 2013. Entre suas muitas observações do material, os pesquisadores relataram ter visto um aumento na geração termelétrica, sob um campo magnético muito alto de 35 tesla (a maioria das máquinas de ressonância magnética, para comparação, operar em torno de 2 a 3 tesla).

Skinner e Fu usaram propriedades do material do estudo de Princeton para modelar teoricamente o desempenho termoelétrico do material sob uma faixa de temperatura e condições de campo magnético.

"Acabamos descobrindo que, sob um forte campo magnético, uma coisa engraçada acontece, onde você poderia fazer elétrons e buracos se moverem em direções opostas, "Skinner diz." Os elétrons vão para o lado frio, e orifícios em direção ao lado quente. Eles trabalham juntos e, em princípio, você poderia obter uma voltagem cada vez maior do mesmo material apenas tornando o campo magnético mais forte. "

Poder tesla

Em sua modelagem teórica, o grupo calculou o ZT de seleneto de chumbo e estanho, ou figura de mérito, uma quantidade que indica o quão próximo o seu material está do limite teórico para gerar energia a partir do calor. Os materiais mais eficientes que foram relatados até agora têm um ZT de cerca de 2. Skinner e Fu descobriram que, sob um forte campo magnético de cerca de 30 tesla, o seleneto de chumbo-estanho pode ter um ZT de cerca de 10 - cinco vezes mais eficiente do que as termelétricas de melhor desempenho.

"Está muito fora da escala, "Skinner diz." Quando nos deparamos com essa ideia pela primeira vez, parecia um pouco dramático demais. Demorei alguns dias para me convencer de que tudo fazia sentido. "

Eles calculam que um material com ZT igual a 10, se aquecido à temperatura ambiente a cerca de 500 Kelvin, ou 440 graus Fahrenheit, sob um campo magnético de 30 tesla, deve ser capaz de transformar 18 por cento desse calor em eletricidade, em comparação com materiais com um ZT igual a 2, que só seria capaz de converter 8% desse calor em energia.

O grupo reconhece que, para alcançar essas altas eficiências, os semimetais topológicos atualmente disponíveis teriam que ser aquecidos sob um campo magnético extremamente alto que só poderia ser produzido por um punhado de instalações no mundo. Para que esses materiais sejam práticos para uso em usinas de energia ou automóveis, eles devem operar na faixa de 1 a 2 tesla.

Fu diz que isso seria possível se um semimetal topológico fosse extremamente limpo, o que significa que há muito poucas impurezas no material que atrapalhariam o fluxo de elétrons.

"Tornar os materiais muito limpos é muito desafiador, mas as pessoas têm dedicado muito esforço para o crescimento de alta qualidade desses materiais, "Fu diz.

Ele acrescenta que o seleneto de chumbo e estanho, o material em que se concentraram em seu estudo, não é o semimetal topológico mais limpo que os cientistas sintetizaram. Em outras palavras, pode haver outro, materiais mais limpos que podem gerar a mesma quantidade de energia térmica com um campo magnético muito menor.

“Podemos ver que este material é um bom material termoelétrico, mas deve haver melhores, "Fu diz." Uma abordagem é pegar o melhor [semimetal topológico] que temos agora, e aplique um campo magnético de 3 tesla. Pode não aumentar a eficiência por um fator de 2, mas talvez 20 ou 50 por cento, o que já é um avanço muito grande. "

A equipe registrou uma patente para sua nova abordagem termolelétrica e está colaborando com pesquisadores de Princeton para testar experimentalmente a teoria.