Les générateurs thermoélectriques qui produisent de l'électricité à partir de la chaleur résiduelle seraient un outil utile pour réduire les émissions de gaz à effet de serre s'il n'y avait pas un problème des plus épineux :la nécessité d'établir des contacts électriques avec leur côté chaud, qui est souvent tout simplement trop chaud pour les matériaux qui peuvent générer un courant.

La chaleur provoque la défaillance des appareils au fil du temps.

Les dispositifs dits thermoélectriques transversaux évitent ce problème en produisant un courant perpendiculaire au dispositif conducteur, nécessitant des contacts uniquement sur l'extrémité froide du générateur. Bien que considérée comme une technologie prometteuse, les matériaux connus pour créer cette tension latérale sont pratiquement inefficaces, du moins c'est ce que pensaient les scientifiques.

Des chercheurs de l'Ohio State University montrent dans une nouvelle étude qu'un seul matériau, un cristal stratifié constitué des éléments rhénium et silicium, s'avère être l'étalon-or des dispositifs thermoélectriques transversaux.

Les scientifiques ont démontré que ce composé unique fonctionne comme un générateur thermoélectrique très efficace en raison d'une propriété rare :porter simultanément des charges positives et négatives qui peuvent se déplacer indépendamment plutôt que de fonctionner parallèlement les unes aux autres, ce qui les oblige à zigzaguer jusqu'aux contacts pour générer un courant électrique.

En construisant un générateur thermoélectrique avec un cristal d'environ deux pouces de long, les chercheurs ont également déterminé que lorsque le cristal est situé à un angle spécifique dans l'appareil, il peut produire une quantité impressionnante de puissance.

« Nous avons montré que ces matériaux sont aussi efficaces que la technologie des générateurs thermoélectriques classiques, mais surmonter ses inconvénients majeurs, " a déclaré le co-auteur de l'étude Joshua Goldberger, professeur de chimie et de biochimie à l'Ohio State.

« C'est la première fois que ce type de dispositif s'avère réalisable. Avec des rendements supérieurs de plusieurs ordres de grandeur à ceux de tout autre dispositif transversal précédent, ce composé est aussi bon que ce que vous pouvez acheter dans le commerce, mais promet d'être beaucoup plus simple et fiable."

La recherche est publiée en ligne dans la revue Sciences de l'énergie et de l'environnement .

Alors que 97 % de l'énergie est produite à partir de la chaleur, nous jetons la plupart de la chaleur, le laisser s'échapper des cheminées, tuyaux d'échappement de voiture et autres.

"La chaleur perdue est vraiment importante. Depuis toujours, il y a eu une quête pour améliorer l'efficacité de tous les moteurs qui produisent de l'énergie à partir de la chaleur - la quantité de travail que vous pouvez en tirer que vous pouvez utiliser, " a déclaré le co-auteur de l'étude Joseph Heremans, professeur de génie mécanique et aérospatial et Ohio Eminent Scholar en nanotechnologie à l'Ohio State.

"Pendant longtemps, nous avons rêvé de trouver de petits moteurs qui n'auraient pas de pièces mobiles capables de prendre de la chaleur et de produire de l'électricité."

Et maintenant ils l'ont fait.

La plupart des matériaux ne conduisent qu'un seul type de charge, ce qui fait que la plupart des dispositifs thermoélectriques sont composés de plusieurs composés, mais la complexité d'établir des contacts avec eux a entravé les efforts visant à construire un générateur thermoélectrique efficace, facile à construire et capable de résister à des températures élevées.

Il y a deux ans, cette équipe de recherche a découvert des propriétés inattendues dans un composé différent qui a permis aux électrons et aux trous, les sources des charges négatives et positives, respectivement, qui génèrent un courant électrique, pour courir le long de ce qui pourrait ressembler à une autoroute nord-sud pour une charge et une autoroute est-ouest pour l'autre.

Après cette découverte, les chercheurs ont passé au peigne fin les recherches existantes sur d'autres cristaux qui avaient été trouvés par d'autres scientifiques pour faire la même chose.

"Nous nous sommes intéressés à cela parce qu'au début, nous ne savions pas que cela pouvait exister. Quand nous avons compris qu'il pouvait exister, nous avons vraiment poussé pour trouver ces matériaux, " a déclaré Goldberger. À ce jour, ils ont confirmé expérimentalement 15 matériaux avec ces propriétés - sur plus de 110, 000 structures cristallines découvertes et cataloguées dans une base de données internationale.

"Quelques-uns avaient été découverts, mais aucun n'a été exploité pour la fonctionnalité. Ce que nous avons découvert, c'est que nous pouvons réellement en faire quelque chose, " dit Wolfgang Windl, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Ohio State et co-auteur de l'étude.

"Tout ce que nous avons à faire est de mettre des fils à une extrémité et d'orienter le cristal d'une certaine manière et tout à coup nous avons un générateur d'électricité sans pièces mobiles. Et vous le réchauffez avec la chaleur résiduelle que vous avez dans votre maison, voiture ou fusée, et cela générera de l'énergie sans émission tout seul et essentiellement à l'infini. C'est un peu comme de la magie noire pour moi."

Théoriquement, un générateur fabriqué avec ce composé pourrait être utilisé n'importe où la chaleur est générée - la taille du cristal peut être variable, et dans cette étude a été dictée par la taille du four dans lequel il a été cultivé.

Heremans a déclaré que le générateur pourrait produire suffisamment d'électricité à partir des gaz d'échappement de la voiture pour propulser le véhicule vers l'avant, mais il privilégie l'idée d'utiliser cette technologie à plus petite échelle :« Les applications à plus petite échelle sont là où les solutions complexes ne sont pas les bienvenues car elles sont trop chères, " dit-il. " C'est là qu'une solution simple comme celle-ci est probablement la meilleure. "