(Phys.org) - Pesquisadores estão desenvolvendo uma técnica que usa nanotecnologia para coletar energia de tubos quentes ou componentes de motor para recuperar energia desperdiçada nas fábricas, usinas de energia e carros.

"A verdade nua e crua é que 58 por cento da energia gerada nos Estados Unidos é desperdiçada na forma de calor, "disse Yue Wu, um professor assistente de engenharia química da Purdue University. "Se pudéssemos obter apenas 10 por cento de volta, isso nos permitiria reduzir o consumo de energia e as emissões das usinas de energia consideravelmente."

Os pesquisadores revestiram as fibras de vidro com um novo material "termoelétrico" que desenvolveram. Quando os materiais termoelétricos são aquecidos em um lado, os elétrons fluem para o lado mais frio, gerar uma corrente elétrica.

As fibras revestidas também podem ser usadas para criar uma tecnologia de resfriamento de estado sólido que não requer compressores e refrigerantes químicos. As fibras podem ser tecidas em um tecido para fazer roupas refrescantes.

As fibras de vidro são mergulhadas em uma solução contendo nanocristais de telureto de chumbo e, em seguida, expostas ao calor em um processo denominado recozimento para fundir os cristais.

Essas fibras podem ser enroladas em tubos industriais em fábricas e usinas de energia, bem como em motores de automóveis e sistemas de escapamento automotivos, para recapturar grande parte da energia desperdiçada. A tecnologia de "coleta de energia" pode reduzir drasticamente a quantidade de calor que é perdida, Disse Wu.

As descobertas foram detalhadas em um artigo de pesquisa publicado no mês passado no jornal Nano Letters. O artigo foi escrito por Daxin Liang, um ex-aluno de intercâmbio Purdue da Universidade Jilin na China; Os alunos de graduação da Purdue, Scott Finefrock e Haoran Yang; e Wu.

Os materiais termoelétricos de alto desempenho de hoje são frágeis, e os dispositivos são formados por grandes discos ou blocos.

"Este tipo de método de fabricação requer o uso de muito material, "Wu disse.

Os novos dispositivos flexíveis se conformariam às formas irregulares dos motores e tubos de escapamento, enquanto usavam uma pequena fração do material necessário para dispositivos termoelétricos convencionais.

"Esta abordagem produz o mesmo nível de desempenho que os materiais termoelétricos convencionais, mas requer o uso de muito menos material, o que leva a um custo menor e é prático para a produção em massa, "Wu disse.

A nova abordagem promete um método que pode ser escalado para processos industriais, tornando a produção em massa viável.

"Demonstramos um material composto principalmente de vidro com um revestimento de telureto de chumbo com apenas 300 nanômetros de espessura, "Finefrock disse." Portanto, embora os dispositivos termoelétricos de hoje exijam grandes quantidades do caro elemento telúrio, nosso material contém apenas 5% de telúrio. Prevemos a produção em massa para revestir as fibras rapidamente em um processo de bobina a bobina. "

Além de gerar eletricidade quando exposto ao calor, os materiais também podem ser operados de maneira reversa:a aplicação de uma corrente elétrica faz com que ele absorva calor, representando um possível método de ar condicionado de estado sólido. Essas fibras podem um dia ser tecidas em roupas de refrigeração ou usadas em outras tecnologias de refrigeração.

Os pesquisadores mostraram que o material tem uma eficiência termoelétrica promissora, que é medido usando uma fórmula para determinar uma unidade de medida chamada ZT. Uma parte importante da fórmula é o "coeficiente de Seebeck, "nomeado em homenagem ao físico alemão do século 19 Thomas Seebeck, quem descobriu o efeito termoelétrico.

ZT é definido pelo coeficiente de Seebeck, junto com a condutividade elétrica e térmica do material e outros fatores. Tendo uma baixa condutividade térmica, um alto coeficiente Seebeck e condutividade elétrica resultam em um alto número ZT.

"É difícil otimizar todos esses três parâmetros simultaneamente porque se você aumentar a condutividade elétrica, e a condutividade térmica sobe, o coeficiente de Seebeck cai, "Wu disse.

A maioria dos materiais termoelétricos em uso comercial tem um ZT de 1 ou inferior. Contudo, materiais nanoestruturados podem ser usados ​​para reduzir a condutividade térmica e aumentar o número de ZT.

Os pesquisadores do Purdue usaram o número ZT para calcular a eficiência máxima que é teoricamente possível com um material.

“Analisamos a abundância material, o custo, toxicidade e desempenho, e estabelecemos um único parâmetro chamado índice de eficiência, "Wu disse.

Embora materiais termoelétricos de alto desempenho tenham sido desenvolvidos, os materiais não são práticos para aplicações industriais generalizadas.

"Os de alto desempenho de hoje têm uma composição complicada, tornando-os caros e difíceis de fabricar, "Disse Wu." Além disso, eles contêm materiais tóxicos, como antimônio, que restringe a pesquisa termelétrica. "

Os nanocristais são um ingrediente crítico, em parte porque as interfaces entre os minúsculos cristais servem para suprimir a vibração da estrutura da rede cristalina, reduzindo a condutividade térmica. Os materiais podem estar exibindo "confinamento quântico, "em que as estruturas são tão minúsculas que se comportam quase como átomos individuais.

"Isso significa que, como os elétrons transportam calor através das estruturas, a voltagem média desses elétrons portadores de calor é maior do que seria em estruturas maiores, "Finefrock disse." Já que você tem elétrons de alta voltagem, você pode gerar mais energia. "

Este confinamento pode aumentar o número ZT.

Um pedido de patente dos EUA foi depositado para o conceito de revestimento de fibra.

O trabalho futuro pode se concentrar no recozimento de alta temperatura para melhorar a eficiência, e os pesquisadores também estão explorando um método diferente para eliminar totalmente o recozimento, o que pode permitir revestir fibras de polímero em vez de vidro.

"Os polímeros podem ser transformados em um dispositivo vestível que pode ser uma roupa refrescante, "Wu disse.

Os pesquisadores também podem trabalhar para revestir as fibras de vidro com um polímero para melhorar a resiliência do material termoelétrico, que tende a desenvolver pequenas rachaduras quando as fibras são dobradas em ângulos agudos.

Os pesquisadores demonstraram o conceito com um experimento usando um sistema contendo tubos de diâmetros diferentes aninhados dentro de um tubo maior. A água quente flui por um tubo central e a água mais fria flui por um tubo externo, com uma camada de material termoelétrico entre os dois.

Os pesquisadores do Purdue também estão explorando outros materiais, em vez de chumbo e telúrio, que são tóxicos, e descobertas preliminares sugerem que esses novos materiais são capazes de um alto valor de ZT.

"Claro, o fato de nosso processo usar uma quantidade tão pequena de material - uma camada de apenas 300 nanômetros de espessura - minimiza o problema de toxicidade, "Disse Wu." No entanto, também estamos nos concentrando em materiais não tóxicos e abundantes. "