p (Phys.org) - Atualmente, até 75% da energia gerada pelo motor de um carro é perdida como calor residual. Em teoria, parte desse calor residual pode ser convertido em eletricidade usando dispositivos termoelétricos, embora até agora a eficiência desses dispositivos tenha sido muito baixa para permitir a comercialização generalizada. p Agora em um novo estudo, físicos demonstraram que um dispositivo termoelétrico feito de nanofios pode atingir uma eficiência alta o suficiente para ser competitivo industrialmente, potencialmente levando a melhorias na economia de combustível e outras aplicações.

p Os cientistas, Khandker A. Muttalib e Selman Hershfield, ambos professores de física da Universidade da Flórida em Gainesville, publicaram um artigo sobre o novo dispositivo termoelétrico em uma edição recente da Revisão Física Aplicada .

p Além de recuperar energia do calor residual em motores de combustão em veículos, dispositivos termoelétricos também podem desempenhar funções semelhantes nos motores de navios, bem como em usinas de energia, refinarias de fabricação, e outros locais que produzem grandes quantidades de calor residual.

p Em seu jornal, os cientistas explicam que o uso de materiais a granel em dispositivos termoelétricos se tornou inerentemente ineficiente, mas os materiais nanoengenharia parecem ser mais promissores. O novo dispositivo consiste simplesmente em dois cabos grandes em diferentes temperaturas, conectados por vários cabos não interativos, nanofios muito finos. Cada nanofio transmite corrente do cabo mais quente para o cabo mais frio, e muitos nanofios em paralelo podem aumentar a potência até níveis elevados.

p Um dos maiores desafios que os dispositivos termoelétricos enfrentam é que as condições que otimizam a eficiência de um dispositivo e a saída de energia são diferentes para diferentes gradientes de temperatura entre os dois cabos, bem como para diferentes cargas elétricas (quanta energia está sendo consumida em um determinado momento). Por causa dessa complexidade, o dispositivo ideal para um gradiente de temperatura e carga específicos pode não funcionar tão bem para um gradiente de temperatura ou carga diferente.

p Os pesquisadores aqui encontraram uma maneira de contornar esse problema, aplicando uma voltagem aos nanofios, o que permite que a energia seja transmitida ao longo dos nanofios apenas em energias acima de um determinado valor. Este valor depende do gradiente de temperatura e da carga, que variam, mas a tensão aplicada também pode ser variada para ajustar a transmissão de energia e otimizar simultaneamente a potência e a eficiência do dispositivo.

p Usar nanofios para conectar os terminais também tem uma vantagem prática em comparação com o uso de outros materiais. Embora muitos outros materiais candidatos sejam difíceis de fabricar de forma confiável, os nanofios podem ser fabricados de forma confiável e controlável, o que é importante para perceber as dimensões ideais precisas.

p Embora a análise teórica dos físicos sugira que o dispositivo proposto pode ter vantagens de desempenho significativas sobre os dispositivos atuais, eles alertam que é muito cedo para fazer estimativas definitivas.

p "Qualquer estimativa neste momento não será confiável porque existem tantas maneiras de perder calor em qualquer dispositivo prático que nossa proposta teórica não leva em consideração, "Muttalib disse Phys.org . "Mesmo assim, demos uma estimativa muito grosseira em nosso artigo, onde a eficiência e a potência de saída podem ser ajustadas (com uma tensão de porta) para serem significativamente maiores do que qualquer dispositivo comercial disponível atualmente. Observe que existem outras propostas teóricas com grande eficiência, mas sem potência suficiente, e, portanto, não utilizável na prática. "

p Mais importante, os físicos esperam que as novas idéias aqui apresentadas possam inspirar novas maneiras de pensar sobre a tecnologia termoelétrica.

p "Talvez o maior significado seja uma possível mudança de paradigma no projeto de dispositivos termoelétricos, "Disse Muttalib." Atualmente, o foco da comunidade está esmagadoramente no chamado regime de 'resposta linear' (onde a temperatura e os gradientes de voltagem através do material que conecta os fios quente e frio são pequenos); o desempenho de tais dispositivos depende exclusivamente das propriedades do material de conexão. Isso manteve os esforços atuais limitados a encontrar ou projetar um "bom" material termoelétrico. Nosso trabalho sugere que, no regime 'não linear', o desempenho do dispositivo também depende crucialmente dos parâmetros dos cabos e das cargas; a otimização do desempenho em tais casos tem muitas possibilidades mais interessantes a serem exploradas. "

p Embora este trabalho ofereça muitas novas direções possíveis para pesquisas futuras, Muttalib e Hershfield esperam que outros cientistas façam avançar a tecnologia.

p "Somos ambos físicos teóricos fazendo pesquisas em ciências básicas, e, em particular, não somos especialistas em tecnologia de dispositivos, "Muttalib disse." Nós tropeçamos na ideia atual enquanto tentávamos entender os efeitos da resposta não linear no transporte de elétrons em nanossistemas. Esperamos que experimentalistas e engenheiros de dispositivos considerem nosso trabalho interessante e o busquem para construir um dispositivo real. Nosso próximo plano nesta área geral é entender, novamente em um nível teórico muito fundamental, os efeitos de fônons ou vibrações de rede em nanossistemas em geral; esses efeitos são conhecidos por serem importantes também para dispositivos termoelétricos. "

p O dispositivo termoelétrico baseado em nanofios não é o único novo projeto termoelétrico a aparecer recentemente. Na mesma edição de Revisão Física Aplicada , Riccardo Bosisio, et al., no Service de Physique de l'Etat Condensé na França desenvolveram um dispositivo termoelétrico no qual os elétrons viajam através dos nanofios por "salto assistido por fônon, "onde os fônons são vibrações que transportam calor. p © 2015 Phys.org