Pohang University of Science & Technology (POSTECH)
Un’innovazione all’avanguardia nella tecnologia termoelettrica ha drasticamente migliorato l’efficienza dei materiali utilizzati per convertire il calore disperso in elettricità, modificandone la forma per assomigliare a una clessidra. A differenza delle ricerche precedenti, che si concentravano esclusivamente sul miglioramento delle proprietà dei materiali termoelettrici, questo approccio innovativo introduce una trasformazione geometrica che amplifica notevolmente la generazione di energia, aprendo la strada a un’ampia gamma di applicazioni nei sistemi di potenza termoelettrica.
La National Research Foundation of Korea ha annunciato che un team di ricerca congiunto, guidato dal Professor Jae Sung Son della POSTECH e da Saniya LeBlanc della George Washington University, ha sviluppato con successo questa nuova geometria per i materiali termoelettrici. Tradizionalmente limitati a forme cuboidali, i materiali ora possono essere progettati con nuove geometrie, grazie all’uso di tecniche di stampa 3D avanzate, che migliorano significativamente l’efficienza nella generazione di energia.
Tecnologia Termoelettrica e Nuove Geometrie
La tecnologia termoelettrica converte il calore in elettricità e sta attirando sempre più attenzione come fonte di energia rinnovabile sostenibile. Essa può convertire il calore generato da fabbriche, motori di automobili o persino il calore corporeo in energia elettrica. I materiali termoelettrici, che sono il fulcro di questa tecnologia, sono solitamente realizzati con semiconduttori solidi. Fino ad oggi, la ricerca sui generatori termoelettrici si è concentrata sul miglioramento delle proprietà intrinseche dei materiali termoelettrici (ZT). Tuttavia, nonostante i miglioramenti ottenuti nel parametro ZT, l’efficienza dei generatori termoelettrici non ha ancora raggiunto un livello pratico per l’uso quotidiano, rendendo necessaria un’approccio nuovo che vada oltre il semplice potenziamento delle proprietà dei materiali.
Il team di ricerca ha dimostrato, attraverso questo studio, che è possibile massimizzare l’efficienza della generazione di energia semplicemente cambiando la geometria e la composizione dei materiali termoelettrici. Simulando otto diverse strutture geometriche, inclusa la tradizionale forma cuboidale e la nuova forma a clessidra, e misurando l’efficienza di generazione di energia di ciascuna, il team ha confermato che la forma a clessidra ha costantemente superato le altre in tutte le condizioni di generazione di energia.
Processo di Stampa 3D e Risultati Straordinari
Il team ha ulteriormente perfezionato i processi di stampa 3D, capaci di produrre materiali termoelettrici con forme complesse, creando difetti micro-stratificati ad alta densità all’interno del materiale per minimizzare la conduttività termica e aumentare l’indice di prestazione termoelettrica (ZT) a 2.0. Questo valore è il più alto raggiunto per i materiali termoelettrici prodotti tramite stampa 3D.
Sulla base di questi esperimenti, il team ha fabbricato generatori termoelettrici utilizzando le otto diverse strutture e ne ha misurato l’efficienza, scoprendo che il generatore a forma di clessidra era circa 3,6 volte più efficiente rispetto al generatore basato su forme rettangolari tradizionali.
Il Professor Jae Sung Son ha dichiarato: “Questa ricerca rappresenta il primo caso in cui l’efficienza è stata migliorata attraverso la geometria tridimensionale del materiale che controllava il trasporto termico ed elettrico, invece di concentrarsi sulla microstruttura convenzionale dei materiali termoelettrici. Si prevede che questo approccio possa essere applicato universalmente a tutti i materiali termoelettrici e possa essere utilizzato anche nelle tecnologie di raffreddamento termoelettrico.”
Questo risultato, supportato dal Mid-Career Researcher Program e dal Nano and Materials Technology Development Program del Ministero della Scienza e ICT e dalla National Research Foundation of Korea, è stato pubblicato online sulla rivista internazionale Nature Energy il 19 luglio.
Giornale: Nature Energy
DOI: 10.1038/s41560-024-01589-5
Titolo dell’articolo: Geometric design of Cu2Se-based thermoelectric materials for enhancing power generation
