Costituiti da piombo (Pb) e tellurio (Te), i tubi generatori di energia potrebbero costituire la base di generatori termoelettrici ad alte prestazioni in grado di generare elettricità dal calore di scarto dei gas di scarico industriali o delle automobili.
I ricercatori ritengono che il loro sviluppo offra un mezzo promettente per migliorare l’efficienza energetica del carburante e hanno sfruttato la stampa 3D come mezzo per superare le sfide associate ai metodi convenzionali di produzione di materiali termoelettrici, come la flessibilità di progettazione limitata.
“Attraverso questa ricerca, saremo in grado di convertire efficacemente il calore generato dai camini delle fabbriche, il tipo più comune di fonte di calore di scarto, in elettricità”, ha affermato il professor Jae Sung Son del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell’UNIST.
A) L’intera configurazione di misurazione e B) Il TEG montato con un dispositivo di raffreddamento e collegato all’elettronica di misurazione. Immagine tramite UNIST.
L’ascesa delle tecnologie termoelettriche
La domanda globale di energia è aumentata in modo significativo negli ultimi tempi a causa dell’aumento della popolazione mondiale e del miglioramento degli standard di vita nei paesi in via di sviluppo. Secondo il documento di ricerca, oltre l’80% dell’attuale consumo energetico globale è consentito da fonti di combustibili fossili, mentre oltre la metà dell’energia termica generata dalla natura e dagli ambienti creati dall’uomo viene semplicemente dissipata nell’ambiente circostante.
Per affrontare questo problema, la generazione di energia termoelettrica potrebbe fornire un metodo affidabile e più rispettoso dell’ambiente per il recupero del calore di scarto. I moduli termoelettrici dovrebbero, dicono i ricercatori, essere progettati specificamente per i singoli sistemi per un efficiente trasferimento di calore, pur avendo un sistema semplice e bassi costi di elaborazione. Tuttavia, i processi di produzione tipici per produrre tali moduli non soddisfano questi requisiti, in particolare per i tubi di scarico.
Questa realizzazione ha portato il team dell’UNIST a rivolgersi alla stampa 3D, sulla quale hanno progettato e prodotto con successo tubi termoelettrici ad alte prestazioni che possono essere personalizzati per l’integrazione con diversi sistemi termici e per consentire regolazioni geotermiche.
Il processo per ottenere la viscoelasticità indotta dal drogaggio degli inchiostri termoelettrici al PbTe. Immagine tramite UNIST.
Generatori di energia termoelettrica con stampa 3D
Durante il loro studio, il team dell’UNIST ha sfruttato un processo di stampa 3D basato sull’estrusione per materiali PbTe e ha progettato un tubo termoelettrico per la generazione di energia con “gambe” di PbTe personalizzate. Hanno quindi sviluppato un inchiostro PbTe privo di impurità con viscoelasticità per renderlo adatto alla stampa 3D e hanno indotto forti cariche superficiali nelle particelle all’interno dell’inchiostro tramite “doping elettronico”.
I ricercatori hanno stampato in 3D l’inchiostro PbTe in forme simili a tubi che sono state poi assemblate per formare un tubo termoelettrico autosufficiente che genera energia. Secondo i ricercatori, le proprietà termoelettriche competitive e la stampabilità dei materiali PbTe hanno consentito la progettazione di moduli termoelettrici stampati in 3D a forma libera oltre i limiti delle strutture convenzionali.
I tubi hanno dimostrato elevate prestazioni termoelettriche a temperature comprese tra 400 e 800 gradi Celsius, che è l’intervallo di temperatura dei gas di scarico di un’auto. La forma del tubo ha inoltre reso il generatore termoelettrico più efficace nella raccolta del calore rispetto a un tipo cuboide convenzionale.
I tubi termoelettrici stampati in 3D potrebbero quindi essere utilizzati direttamente come tubi di scarico attraverso i quali scorrono fluidi caldi, afferma il team, e costituiscono la base di un design a scheletro di un sistema di generazione termoelettrica leggero e semplice. Secondo quanto riferito, il progetto fornisce i “mezzi più efficaci per il trasferimento di calore” dal flusso di fluido ad alta temperatura attraverso un tubo a un generatore termoelettrico, poiché non vi sono strati termoresistenti tra il fluido e le “gambe” termoelettriche, come un substrato ceramico in un convenzionale generatore termoelettrico in leghe ferrose.
Il team ritiene che il loro approccio offra un grande potenziale per un’elaborazione conveniente per progettare moduli termoelettrici personalizzabili ad alte prestazioni e, al fine di industrializzare la tecnologia, cercherà di superare il problema della corrosione causata dai gas di scarico. Lo sviluppo di tecnologie di rivestimento anticorrosivo per i materiali termoelettrici aiuterà a negare questo problema e sono già in corso lavori in questo campo.
“Se utilizziamo la tecnologia di stampa 3D nella produzione di materiali termoelettrici, saremo in grado di superare i limiti dei materiali convenzionali”, ha affermato il professor Han Gi Chae del Dipartimento di Scienza e ingegneria dei materiali dell’UNIST. “La nuova tecnologia per fornire caratteristiche viscoelastiche ai materiali stampati in 3D sarà utilizzata in vari altri settori”.
Ulteriori informazioni possono essere trovate nello studio intitolato: “Viscoelasticità indotta dal doping negli inchiostri termoelettrici al PbTe per la stampa 3D di tubi generatori di energia”, pubblicato sulla rivista Advanced Energy Materials. Lo studio è co-autore di J. Lee, S. Choo, H. Ju, J. Hong, S. Eun Yang, F. Kim, D. Hwi Gu, J. Jang, G. Kim, S. Ahn, J Eun Lee, S. You Kim, H. Gi Chae e J. Sung Son.
