Você sente o calor saindo do seu computador ou telefone celular? Isso é energia desperdiçada irradiando do dispositivo. Com automóveis, estima-se que 60% da eficiência do combustível é perdida devido ao calor desperdiçado. É possível captar essa energia e convertê-la em eletricidade?

Pesquisadores que trabalham na área de geração de energia termoelétrica dizem absolutamente. Mas se isso pode ser feito de maneira econômica ainda é uma questão.

Por enquanto, geradores termoelétricos são uma raridade, usado principalmente em aplicações de nicho, como sondas espaciais, onde o reabastecimento não é uma possibilidade. A termoeletricidade é uma área ativa de pesquisa, particularmente entre empresas automotivas como BMW e Audi. Contudo, Até a presente data, o custo de conversão de calor em eletricidade provou ser mais caro do que a própria eletricidade.

Anveeksh Koneru, um professor sênior em engenharia mecânica na Universidade do Texas Permian Basin (UTPB), está explorando um novo método para capturar calor residual, aproveitando os movimentos da mecânica quântica dos elétrons em materiais com polarização de spin.

Na física de partículas, spin é uma forma intrínseca de momento angular transportado por partículas elementares, partículas compostas (hádrons), e núcleos atômicos. Por meio de um mecanismo conhecido como efeito Spin Hall, foi demonstrado que uma tensão pode ser gerada aproveitando as diferenças nas populações de spin em um contato de metal ligado a um material ferromagnético. Demonstrado experimentalmente pela primeira vez por pesquisadores japoneses em 2008, a ideia se infiltrou na ciência dos materiais por um tempo, mas ainda não encontrou sua forma ideal.

Koneru acredita que, em óxido de cobalto, ele pode ter encontrado o material certo para aproveitar o efeito para a produção de energia. Um composto inorgânico usado na indústria de cerâmica para criar esmaltes de cor azul, e em tecnologias de separação de água, óxidos de cobalto possuem a capacidade única de aceitar cátions de metais de transição substitutos, que permite que sejam misturados com níquel, cobre, manganês, ou zinco. Esses metais têm propriedades magnéticas que podem aumentar a separação entre os elétrons girando para cima e para baixo e melhorar a conversão de calor em eletricidade.

"O material deve ser um bom condutor elétrico, mas um mau condutor térmico. Deve conduzir elétrons, mas não fônons, que são calor, "Koneru disse." Para estudar isto experimentalmente, teríamos que fabricar milhares de combinações diferentes de materiais. Em vez de, estamos tentando calcular teoricamente qual é a configuração ideal do material usando substituições. "

Desde 2018, Koneru tem usado supercomputadores no Texas Advanced Computing Center (TACC) para testar virtualmente os perfis de energia de uma variedade de óxidos de cobalto com uma variedade de substituições.

"Cada calibração leva de 30 a 40 horas de tempo de computação, e temos que estudar pelo menos 1, 000 para 1, 500 configurações diferentes, Ele explicou. "Isso requer uma grande facilidade computacional e é isso que o TACC oferece."

Koneru, junto com os alunos de graduação da UTPB Gustavo Damis Resende, Nolan Hines, e um colaborador da West Virginia University, Terence Musho, apresentaram suas descobertas iniciais sobre a capacidade termoelétrica de óxidos de cobalto no Materials Research Society Spring Meeting em Phoenix, Arizona, em 22 de abril.

Os pesquisadores estudaram células unitárias de 56 átomos de três configurações de óxido de cobalto, ajustado por substituições de níquel e zinco, para atingir o desempenho termoelétrico ideal. Eles usaram um pacote de software conhecido como Quantum ESPRESSO para calcular as características físicas de cada configuração. Esses incluem:

• o gap de banda:a energia mínima necessária para excitar um elétron a um estado onde ele conduz energia; o parâmetro de rede:as dimensões físicas das células em uma rede de cristal;
• a massa efetiva dos elétrons de condução:a massa que uma partícula parece ter ao responder à força;
• e a polarização do spin:o grau em que o spin está alinhado com uma determinada direção.

Essas propriedades fundamentais foram então usadas para realizar cálculos convencionais de carga e transporte de spin, que diz aos pesquisadores como uma configuração do óxido de cobalto pode transformar calor em eletricidade.

De acordo com os pesquisadores, o método desenvolvido nesta pesquisa pode ser aplicado a outros materiais termoelétricos interessantes com propriedades semicondutoras e magnéticas, tornando-o amplamente útil para a comunidade de ciência de materiais.

USANDO A CIBERINFRAESTRUTURA DE PESQUISA UT

Como um Ph.D. estudante da West Virginia University, Koneru teve acesso a grandes supercomputadores para conduzir suas pesquisas. Embora o UTPB não tenha esses recursos localmente, ele foi capaz de explorar os sistemas e serviços de computação avançados do TACC por meio da iniciativa UT Research Cyberinfrastructure (UTRC), que, desde 2007, forneceu aos pesquisadores de qualquer uma das 14 instituições do Sistema da Universidade do Texas acesso aos recursos do TACC, perícia, e formação.

Como parte da iniciativa UTRC, A equipe do TACC serve como contato, visitando os 14 campi da UT System, oferecendo treinamento e consultoria, e apresentar aos pesquisadores os recursos de que dispõem. Quando o pesquisador do TACC Ari Kahn visitou a UTPB, ele conheceu Koneru e o encorajou a computar no TACC.

Desde então, Koneru tem usado o Lonestar5, um sistema exclusivo para pesquisadores da UT System, por seu trabalho. Embora ainda em seu estágio inicial, os resultados até agora têm sido promissores.

"Estou animado porque pudemos ver claramente a polarização do spin quando os espinélios de óxido de cobalto foram substituídos por níquel. Isso é um bom sinal, "disse ele." Estamos vendo que uma configuração específica tem uma divisão maior no intervalo de banda, algo que é surpreendente e temos que explorar mais. E todas as calibrações estão convergindo, o que mostra que eles são confiáveis. "

Depois de identificar o material ideal para a conversão de calor residual, Koneru espera projetar uma pasta que possa ser aplicada ao tubo de escape de um veículo, converter calor residual em eletricidade para alimentar os sistemas elétricos de um carro. Ele estima que tal dispositivo pode custar menos de US $ 500 por veículo e pode reduzir as emissões de gases de efeito estufa em centenas de milhões de toneladas por ano.

"Com os avanços recentes na nanofabricação, e calibrações computacionais para nanomateriais, materiais térmicos de spin podem desempenhar um papel vital na conversão de energia no futuro, " ele disse.

O TACC permite que Koneru acelere um grande número de configurações de materiais possíveis para que, quando for hora de testá-los experimentalmente, o número de candidatos será administrável.

"O TACC é um sistema altamente útil com pessoal que pode orientá-lo caso surja algum problema, "Koneru disse." Se o corpo docente ou os alunos estiverem interessados ​​em pesquisas que requeiram recursos computacionais, TACC é a opção certa para escolher. Ele fornece recursos e experiência gratuitamente. É um grande facilitador para tudo pelo que você é apaixonado. "

"É nossa missão encorajar pesquisadores de todo o estado a usar os recursos do TACC para fazer descobertas incríveis que não podem ser feitas no laboratório ou usando clusters locais, "disse Ari Khan do TACC." Dr. A pesquisa de Koneru é um grande exemplo de um projeto que pode ter um grande impacto na poluição do ar e no aquecimento global. "