Il est facile de convertir directement l'électricité en chaleur. Cela arrive régulièrement dans votre grille-pain, C'est, si vous faites des toasts régulièrement. L'opposé, convertir la chaleur en énergie électrique, n'est pas si facile.

Des chercheurs de Sandia National Laboratories ont développé un minuscule dispositif à base de silicium qui peut exploiter ce qu'on appelait auparavant la chaleur résiduelle et la transformer en courant continu. Leur avancée a été récemment publiée dans Physical Review Applied.

"Nous avons développé une nouvelle méthode pour essentiellement récupérer l'énergie de la chaleur perdue. Les moteurs de voiture produisent beaucoup de chaleur et cette chaleur n'est que du gaspillage, droit? Imaginez donc si vous pouviez convertir la chaleur du moteur en énergie électrique pour une voiture hybride. C'est le premier pas dans cette direction, mais il reste encore beaucoup à faire, " a déclaré Paul Davids, un physicien et le chercheur principal de l'étude.

« A court terme, nous cherchons à réaliser une alimentation infrarouge compacte, peut-être pour remplacer les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes. » Appelés RTG, les générateurs sont utilisés pour des tâches telles que l'alimentation de capteurs pour les missions spatiales qui ne reçoivent pas assez de lumière directe du soleil pour alimenter les panneaux solaires.

L'appareil de Davids est fait de matériaux communs et abondants, comme l'aluminium, silicium et dioxyde de silicium - ou verre - combinés de manière très peu commune.

Captures d'appareils en silicone, canalise et convertit la chaleur en énergie

Plus petit qu'un petit doigt, l'appareil mesure environ 1/8 de pouce sur 1/8 de pouce, moitié aussi épais qu'un centime et métalliquement brillant. Le dessus est en aluminium gravé de rayures environ 20 fois plus petites que la largeur d'un cheveu humain. Ce modèle, bien que trop petit pour être vu à l'œil nu, sert d'antenne pour capter le rayonnement infrarouge.

Entre le dessus en aluminium et le dessous en silicium se trouve une très fine couche de dioxyde de silicium. Cette couche a une épaisseur d'environ 20 atomes de silicium, ou 16, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain. L'antenne en aluminium à motifs et gravé canalise le rayonnement infrarouge dans cette couche mince.

Le rayonnement infrarouge piégé dans le dioxyde de silicium crée des oscillations électriques très rapides, environ 50 000 milliards de fois par seconde. Cela pousse les électrons dans les deux sens entre l'aluminium et le silicium de manière asymétrique. Ce processus, appelé rectification, génère un courant électrique continu net.

L'équipe appelle son appareil une rectenna infrarouge, un portemanteau d'antenne de redressement. C'est un appareil à semi-conducteurs sans pièces mobiles à bloquer, plier ou casser, et n'a pas à toucher directement la source de chaleur, ce qui peut provoquer un stress thermique.

La production de rectenna infrarouge utilise des utilisations communes, processus évolutifs

Parce que l'équipe fabrique la rectenna infrarouge avec les mêmes procédés que ceux utilisés par l'industrie des circuits intégrés, c'est facilement évolutif, dit Joshua Shank, ingénieur électricien et premier auteur de l'article, qui a testé les appareils et modélisé la physique sous-jacente alors qu'il était boursier postdoctoral Sandia.

Il ajouta, « Nous nous sommes délibérément concentrés sur des matériaux et des processus communs qui sont évolutifs. En théorie, n'importe quelle installation commerciale de fabrication de circuits intégrés pourrait fabriquer ces rectennas."

Cela ne veut pas dire que la création de l'appareil actuel était facile. Rob Jarecki, l'ingénieur de fabrication qui a dirigé le développement du processus, mentionné, "Il y a une immense complexité sous le capot et les appareils nécessitent toutes sortes d'astuces de traitement pour les construire."

L'un des plus grands défis de fabrication était d'insérer de petites quantités d'autres éléments dans le silicium, ou en le dopant, pour qu'il réfléchisse la lumière infrarouge comme un métal, dit Jarecki. « En règle générale, vous ne dopez pas le silicium à mort, vous n'essayez pas de le transformer en métal, parce que vous avez des métaux pour ça. Dans ce cas, nous avions besoin qu'il soit dopé autant que possible sans détruire le matériel."

Les appareils ont été fabriqués par Sandia's Microsystems Engineering, Complexe des sciences et applications. L'équipe a obtenu un brevet pour l'antenne infrarouge et a déposé plusieurs brevets supplémentaires.

La version de la rectenna infrarouge que l'équipe a signalée dans Physical Review Applied produit 8 nanowatts de puissance par centimètre carré à partir d'une lampe chauffante spécialisée à 840 degrés. Pour le contexte, une calculatrice solaire typique utilise environ 5 microwatts, ils auraient donc besoin d'une feuille de rectenna infrarouge légèrement plus grande qu'un morceau de papier standard pour alimenter une calculatrice. Donc, l'équipe a de nombreuses idées d'améliorations futures pour rendre la rectenna infrarouge plus efficace.

Travaux futurs pour améliorer l'efficacité de la rectenna infrarouge

Ces idées incluent la création du motif supérieur de la rectenna en 2-D x au lieu de rayures 1D, pour absorber la lumière infrarouge sur toutes les polarisations; reconcevoir la couche de redressement pour qu'elle soit un redresseur double alternance au lieu du redresseur simple alternance actuel ; et faire la rectenna infrarouge sur une plaquette de silicium plus mince pour minimiser la perte de puissance due à la résistance.

Grâce à une conception améliorée et une plus grande efficacité de conversion, la puissance de sortie par unité de surface augmentera. Davids pense que dans cinq ans, le redresseur infrarouge peut être une bonne alternative aux RTG pour les alimentations compactes.

Shank a dit, « Nous devons continuer à nous améliorer pour être comparables aux RTG, mais les rectennas seront utiles pour toute application où vous avez besoin de quelque chose pour fonctionner de manière fiable pendant une longue période et où vous ne pouvez pas entrer et simplement changer la batterie. Cependant, nous n'allons pas être une alternative aux panneaux solaires comme source d'énergie à l'échelle du réseau, du moins pas à court terme."

Davids a ajouté, "Nous avons réduit le problème et maintenant nous commençons à arriver au point où nous voyons des gains relativement importants dans la conversion de puissance, et je pense qu'il y a une voie à suivre comme alternative à la thermoélectrique. Ça fait du bien d'en arriver là. Ce serait formidable si nous pouvions l'étendre et changer le monde."