As instalações de nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge estão ajudando cientistas em pesquisas para aumentar a potência e a eficiência de materiais termelétricos. Esses aumentos de desempenho podem permitir usos mais econômicos e práticos para termelétricas, com uma adoção mais ampla da indústria, para melhorar a economia de combustível em veículos, tornar as usinas de energia mais eficientes, e tecnologias avançadas de aquecimento corporal para relógios e smartphones.

Materiais termoelétricos, compostos tipicamente de metal, pode converter calor em eletricidade e vice-versa na presença de um gradiente de temperatura, tornando-os ideais para aplicações na recuperação de calor residual.

A termoelétrica pode capitalizar enormes quantidades de calor residual não utilizado, produzido por operações industriais, geração de energia com combustível fóssil, edifícios comerciais, veículos, e até mesmo pessoas, convertendo esse calor "perdido" em energia utilizável. Mas, até agora, sua aplicação tem sido limitada a tecnologias complementares devido à sua baixa eficiência em comparação com as formas convencionais de geração de energia.

Para alcançar benchmarks definidos para dispositivos termoalimentados autônomos, os cientistas estão agora olhando mais profundamente - até os átomos - em materiais e métodos promissores para aumentar as pontuações de eficiência.

Trabalhando com um material à base de magnésio-antimônio, uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo físico Zhifeng Ren da Universidade de Houston demonstrou um aumento substancial no fator de potência da liga, ou produção total de energia, com uma técnica chamada engenharia de defeitos. Substituindo átomos de cobalto em locais estratégicos, os pesquisadores alteraram o caminho dos elétrons de uma forma que melhorou significativamente sua mobilidade. A análise de nêutrons realizada no ORNL desempenhou um papel fundamental na verificação do sucesso do método.

Os resultados, publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences , são comercialmente relevantes com uma figura de mérito, ou valor ZT, de ~ 1,7 alcançado em eficiência termelétrica. O mais significativo é o aumento do fator de potência do material à temperatura ambiente com um salto recorde de 5 para 13 μW · cm ^-1 · K ^-2 que mais do que dobrou a produção total de energia do material.

O fator de potência resultante está longe do recorde de 106 em temperatura ambiente alcançado por Ren e outros anteriormente, mas o método de aumentá-lo poderia ser aplicado a materiais superiores - particularmente aqueles com um fator de potência já acima de 100 - para tornar as termelétricas mais eficientes ainda melhores.

A abordagem funciona ajustando a estrutura atômica do composto para superar uma resistência inerente ao fluxo de elétrons que limitou o potencial da termoelétrica. No nível atômico, efeitos termoelétricos ocorrem quando os portadores, ou elétrons, mover em resposta à temperatura. Conforme os elétrons se movem através dos materiais, eles interagem com os átomos e se espalham em um caminho tortuoso, em vez de uma rota direta, o que resulta em conversão ineficiente de energia.

Para produzir mais calor ou mais energia com termoelétricas, a pesquisa geralmente favoreceu dois caminhos - aumentar o número de operadoras ou aumentar a mobilidade das operadoras. Projetar um material ou alterar um material existente para acomodar mais elétrons é uma solução, embora seja difícil modificar um material enquanto mantém suas propriedades termoelétricas. Outra opção, adotado pela equipe de pesquisa, é fazer o ajuste fino dos materiais no nível atômico para suavizar o caminho para que os elétrons passem com menos resistência, aumentando assim o fator de potência do material.

O objetivo não é criar mais espaço nos materiais, mas sim para refinar as vibrações naturais dos átomos que governam suas interações com os elétrons, introduzindo "defeitos" que não estão naturalmente presentes. Ao colocar estrategicamente a quantidade certa de cobalto na liga ajustada, os pesquisadores são capazes de espalhar os elétrons na liga com mais eficiência.

"Esta é uma maneira sofisticada de melhorar a termoelétrica de baixo para cima, controlando a forma como os elétrons se espalham pelos materiais, "disse Clarina de la Cruz do ORNL, que colaboraram no estudo.

Como cientista de instrumentos para o difratômetro de pó de nêutrons HB-2A no reator de isótopo de alto fluxo, de la Cruz liderou a pesquisa de espalhamento de nêutrons para analisar o Mg dopado com cobalto ₃ Sb ₂ material.

Um objetivo fundamental para os pesquisadores era identificar as localizações precisas dos átomos de cobalto de substituição introduzidos para verificar seu papel como centros de espalhamento de elétrons. O trabalho não teria sido possível sem o uso de nêutrons e seus únicos, capacidades não destrutivas para observar a matéria no nível atômico.

Os nêutrons eram essenciais devido à complexidade do material, explicou de la Cruz. "Olhar para substituições estratégicas em metais de transição e identificar concentrações muito pequenas de cobalto não é uma tarefa fácil. Mesmo sem o desafio adicional de substituições, alguns desses elementos estão tão próximos na tabela periódica que decifrá-los com raios X ou outros métodos é extremamente difícil. Você realmente precisa de nêutrons para resolver esse tipo de problema. "

"A ciência de nêutrons se tornou parte integrante do ciclo de impulsionar o desempenho da termelétrica, "disse de la Cruz." Pesquisadores de todo o mundo que estão projetando novos materiais usam as instalações de nêutrons do ORNL para verificar e melhorar seus resultados, nesse caso, alimentando a segurança energética do futuro. "

A pesquisa é apoiada em parte pelo Centro de Conversão de Energia Solar Térmica de Estado Sólido, um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia financiado pelo DOE Office of Science.

Artigo publicado originalmente em Neutron News .