Près de 70 pour cent de l'énergie produite aux États-Unis chaque année est gaspillée sous forme de chaleur. Une grande partie de cette chaleur est inférieure à 100 degrés Celsius et émane de choses comme les ordinateurs, voitures ou de grands processus industriels. Ingénieurs de l'Université de Californie, Berkeley, ont développé un système à couche mince qui peut être appliqué à des sources de chaleur résiduelle comme celles-ci pour produire de l'énergie à des niveaux sans précédent pour ce type de technologie.

Le système à couche mince utilise un processus appelé conversion d'énergie pyroélectrique, dont la nouvelle étude des ingénieurs démontre qu'elle est bien adaptée pour puiser dans les sources d'énergie de chaleur résiduelle en dessous de 100 degrés Celsius, appelée chaleur résiduelle de mauvaise qualité. Conversion d'énergie pyroélectrique, comme de nombreux systèmes qui transforment la chaleur en énergie, fonctionne mieux en utilisant des cycles thermodynamiques, un peu comme le fonctionnement d'un moteur de voiture. Mais contrairement au moteur de votre voiture, La conversion d'énergie pyroélectrique peut être réalisée entièrement à l'état solide sans pièces mobiles car elle transforme la chaleur perdue en électricité.

Les nouveaux résultats suggèrent que cette technologie nanoscopique à couche mince pourrait être particulièrement intéressante pour l'installation et la récupération de la chaleur résiduelle de l'électronique à grande vitesse, mais pourrait avoir un large éventail d'applications. Pour les sources de chaleur fluctuantes, l'étude rapporte que le film mince peut transformer la chaleur perdue en énergie utilisable avec une densité énergétique plus élevée, densité de puissance et niveaux d'efficacité que les autres formes de conversion d'énergie pyroélectrique.

"Nous savons que nous avons besoin de nouvelles sources d'énergie, mais nous devons également mieux utiliser l'énergie dont nous disposons déjà, " a déclaré l'auteur principal Lane Martin, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux. "Ces films minces peuvent nous aider à extraire plus d'énergie que nous ne le faisons aujourd'hui de chaque source d'énergie."

La recherche sera publiée le 16 avril dans la revue Matériaux naturels . La recherche a été soutenue, en partie, par des subventions du Army Research Office et de la National Science Foundation.

Le comportement pyroélectrique est connu depuis longtemps, mais mesurer avec précision les propriétés des versions à couche mince des systèmes pyroélectriques est resté un défi. Une contribution importante de la nouvelle étude est de démystifier ce processus et d'améliorer la compréhension de la physique pyroélectrique.

L'équipe de recherche de Martin a synthétisé des versions à couche mince de matériaux de seulement 50 à 100 nanomètres d'épaisseur, puis, avec le groupe de Chris Dames, professeur agrégé de génie mécanique à Berkeley, fabriqué et testé les structures de dispositifs pyroélectriques basées sur ces films. Ces structures permettent aux ingénieurs de mesurer simultanément la température et les courants électriques créés, et source de chaleur pour tester les capacités de production d'électricité de l'appareil, le tout sur un film de moins de 100 nanomètres d'épaisseur.

"En créant un dispositif à couche mince, nous pouvons faire entrer et sortir la chaleur de ce système rapidement, nous permettant d'accéder à une puissance pyroélectrique à des niveaux sans précédent pour des sources de chaleur qui fluctuent dans le temps, " Martin a dit. "Tout ce que nous faisons est de fournir de la chaleur et d'appliquer des champs électriques à ce système, et nous pouvons extraire de l'énergie."

Cette étude rapporte de nouveaux records pour la densité d'énergie de conversion d'énergie pyroélectrique (1,06 Joules par centimètre cube), densité de puissance (526 Watts par centimètre cube) et rendement (19 % du rendement de Carnot, qui est l'unité standard de mesure du rendement d'un moteur thermique).

Les prochaines étapes de cette ligne de recherche consisteront à mieux optimiser les matériaux à couche mince en fonction de flux de chaleur perdue et de températures spécifiques.

"Une partie de ce que nous essayons de faire est de créer un protocole qui nous permet de pousser les extrêmes des matériaux pyroélectriques afin que vous puissiez me donner un flux de chaleur perdue et que je puisse vous obtenir un matériau optimisé pour résoudre vos problèmes, " dit Martin.