Due parametri interdipendenti, la conduttività elettrica e il coefficiente di Seebeck, hanno impedito il miglioramento delle prestazioni termoelettriche dei materiali nanostrutturati. Alcuni ricercatori, grazie al sostegno dell’UE, hanno sviluppato oggi una teoria sul modo per superare questo ostacolo.
Il calore residuo viene prodotto ovunque intorno a noi, laddove viene svolto un lavoro: dagli apparecchi in funzione nelle nostre case, dalle nostre automobili, dai treni e dagli autobus, nonché dalle fabbriche e dalle centrali elettriche. Tutto questo calore residuo può essere convertito in energia elettrica utile con l’uso dei materiali termoelettrici, che devono presentare un’elevata conduttività elettrica e una bassa conduttività termica. Ma i materiali termoelettrici generalmente non sono efficienti.
Dal 2016 i ricercatori sostenuti dal progetto NANOthermMA, finanziato dall’UE, studiano il modo per nanostrutturare i materiali al fine di migliorarne l’efficienza termoelettrica. Questa efficienza è caratterizzata dal calcolo del valore ZT: si tratta di una funzione di conduttività termica, conduttività elettrica, temperatura assoluta e del coefficiente di Seebeck, che misura il voltaggio indotto in risposta alla differenza di temperatura in un materiale termoelettrico. Un materiale efficiente con bassa conduttività termica ed elevata conduttività elettrica produrrebbe un alto valore ZT.
La nanostrutturazione ha già ottenuto riduzioni notevoli della conduttività elettrica, quindi l’obiettivo degli ulteriori miglioramenti dovrà essere l’incremento della conduttività elettrica e il mantenimento di un elevato coefficiente di Seebeck, ma il problema al riguardo è che queste due grandezze sono inversamente proporzionali tra loro: ogni sforzo per aumentare l’una ridurrà l’altra.
Pertanto, i ricercatori di NANOthermMA stanno studiando il modo di nanostrutturare i materiali per «attenuare l’interdipendenza inversa» tra conduttività elettrica e coefficiente di Seebeck, come appropriatamente descritto in un articolo pubblicato sul sito web «Open Access Government». «Attraverso una serie di simulazioni numeriche intensive e l’impiego di software avanzati sviluppati nell’ambito del progetto, NANOthermMA ha dimostrato teoricamente come l’ingegneria su nanoscala possa interrompere l’interdipendenza inversa di questi parametri e persino ottenere un aumento di 20 volte del fattore di potenza, che è il prodotto della conduttività elettrica e del coefficiente di Seebeck al quadrato, una misura che influisce direttamente sullo ZT», scrive nell’articolo il prof. Neophytos Neophytou dell’Università di Warwick, che ha coordinato il progetto.La soluzione del gruppo di ricerca risiede nelle funzionalità di nanostrutturazione, quali i nanograni e i bordi intergranulari. «Nel contesto di questa geometria viene inserita in aree specifiche una specie aggiuntiva di atomi droganti, ovvero impurità che aumentano la conduttività elettrica del materiale. Progettando accuratamente le dimensioni dei domini, la natura dei legami e la distribuzione dei droganti, ciò che si può ottenere è la conduttività elettrica determinata innanzitutto dai nanodomini, mentre il coefficiente di Seebeck viene determinato dai legami e i due parametri possono essere regolati in modo indipendente», spiega il prof. Neophytou.
La progettazione dei materiali nanostrutturati può essere ulteriormente migliorata utilizzando le nanostrutturazioni gerarchiche in cui le nanoinclusioni vengono inserite all’interno dei nanodomini. Ciò contribuisce a ridurre ancora di più la conduttività termica e presenta l’ulteriore vantaggio di migliorare il coefficiente di Seebeck in modo indipendente.
Il gruppo di NANOthermMA (Advanced Simulation Design of Nanostructured Thermoelectric Materials with Enhanced Power Factors) esaminerà la possibilità di mettere in pratica questa teoria. In caso di successo, potrebbe aprire la strada a materiali termoelettrici con valori ZT elevati e dotati, in definitiva, di maggiore efficienza.
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