(PhysOrg.com) -- Des physiciens de l'Université de l'Arizona ont découvert une nouvelle façon de récupérer la chaleur résiduelle et de la transformer en énergie électrique. Profitant des effets quantiques, la technologie est très prometteuse pour la fabrication de voitures, centrales électriques, usines et panneaux solaires plus efficaces.

Qu'est-ce qu'un moteur de voiture, une centrale électrique, une usine et un panneau solaire ont-ils en commun ? Ils génèrent tous de la chaleur - dont une grande partie est gaspillée.

Des physiciens de l'Université de l'Arizona ont découvert une nouvelle façon de récupérer la chaleur résiduelle et de la transformer en énergie électrique.

A l'aide d'un modèle théorique d'un dispositif thermoélectrique dit moléculaire, la technologie est très prometteuse pour la fabrication de voitures, centrales électriques, usines et panneaux solaires plus performants, pour ne citer que quelques applications possibles. En outre, des matériaux thermoélectriques plus efficaces feraient des chlorofluorocarbures appauvrissant la couche d'ozone, ou CFC, obsolète.

Le groupe de recherche dirigé par Charles Stafford, professeur agrégé de physique, a publié ses conclusions dans le numéro de septembre de la revue scientifique, ACS Nano .

« La thermoélectricité permet de convertir proprement la chaleur directement en énergie électrique dans un appareil sans pièces mobiles, " a déclaré l'auteur principal Justin Bergfield, un doctorant au Collège des sciences optiques de l'UA.

"Nos collègues sur le terrain nous disent qu'ils sont assez confiants dans le fait que les appareils que nous avons conçus sur ordinateur peuvent être construits avec les caractéristiques que nous voyons dans nos simulations."

"Nous prévoyons que la tension thermoélectrique utilisant notre conception sera environ 100 fois plus élevée que ce que d'autres ont atteint en laboratoire, " ajouta Stafford.

La récupération de l'énergie perdue par la chaleur résiduelle est depuis longtemps sur la liste des souhaits des ingénieurs, mais, jusque là, il manquait un concept de remplacement des appareils existants à la fois plus efficace et économiquement compétitif.

Contrairement aux dispositifs de conversion de chaleur existants tels que les réfrigérateurs et les turbines à vapeur, les appareils de Bergfield et Stafford ne nécessitent aucune mécanique ni aucun produit chimique appauvrissant la couche d'ozone. Au lieu, un polymère caoutchouteux pris en sandwich entre deux métaux servant d'électrodes peut faire l'affaire.

Les tuyaux d'échappement de voiture ou d'usine pourraient être recouverts du matériau, moins d'un millionième de pouce d'épaisseur, pour récupérer l'énergie autrement perdue sous forme de chaleur et produire de l'électricité.

Les physiciens profitent des lois de la physique quantique, un domaine qui n'est généralement pas exploité lors de la conception d'une technologie de production d'électricité. Aux non-initiés, les lois de la physique quantique semblent aller à l'encontre de la façon dont les choses sont "censées" se comporter.

La clé de la technologie réside dans une loi quantique que les physiciens appellent la dualité onde-particule :de minuscules objets tels que les électrons peuvent se comporter soit comme une onde, soit comme une particule.

« Dans un sens, un électron est comme une voiture de sport rouge, " a déclaré Bergfield. " La voiture de sport est à la fois une voiture et elle est rouge, tout comme l'électron est à la fois une particule et une onde. Les deux sont des propriétés de la même chose. Les électrons sont juste moins évidents pour nous que les voitures de sport."

Bergfield et Stafford ont découvert le potentiel de conversion de la chaleur en électricité lorsqu'ils ont étudié les polyphényléthers, molécules qui s'agrègent spontanément en polymères, longues chaînes d'unités répétitives. Le squelette de chaque molécule d'éther polyphénylique est constitué d'une chaîne de cycles benzéniques, qui à leur tour sont construits à partir d'atomes de carbone. La structure de maillon de chaîne de chaque molécule agit comme un « fil moléculaire » à travers lequel les électrons peuvent voyager.

"Nous avions tous les deux travaillé avec ces molécules auparavant et pensé à les utiliser pour un dispositif thermoélectrique, " Bergfield a dit, "mais nous n'avions rien trouvé de spécial à leur sujet jusqu'à ce que Michelle Solis, un étudiant de premier cycle qui a travaillé sur une étude indépendante en laboratoire, découvert que, bas et voici, ces choses avaient une particularité."

À l'aide de simulations informatiques, Bergfield a ensuite "cultivé" une forêt de molécules prises en sandwich entre deux électrodes et exposé le réseau à une source de chaleur simulée.

"Au fur et à mesure que vous augmentez le nombre de cycles benzéniques dans chaque molécule, vous augmentez la puissance générée, " a déclaré Bergfield.

Le secret de la capacité des molécules à transformer la chaleur en énergie réside dans leur structure :comme l'eau atteignant une fourche dans une rivière, le flux d'électrons le long de la molécule est divisé en deux une fois qu'il rencontre un cycle benzénique, avec un flux d'électrons suivant le long de chaque bras de l'anneau.

Bergfield a conçu le circuit de l'anneau benzénique de telle manière que, dans un chemin, l'électron est obligé de parcourir une plus grande distance autour de l'anneau que l'autre. Cela provoque le déphasage des deux ondes électroniques une fois qu'elles se réunissent lorsqu'elles atteignent l'autre côté du cycle benzénique. Quand les vagues se rencontrent, ils s'annulent dans un processus connu sous le nom d'interférence quantique. Lorsqu'une différence de température est placée à travers le circuit, cette interruption dans le flux de charge électrique conduit à l'accumulation d'un potentiel électrique - tension - entre les deux électrodes.

L'interférence des ondes est un concept exploité par les casques à réduction de bruit :les ondes sonores entrantes rencontrent les contre-ondes générées par l'appareil, en éliminant le bruit incriminé.

"Nous sommes les premiers à exploiter la nature ondulatoire de l'électron et à développer un concept pour le transformer en énergie utilisable, " a déclaré Stafford.

Analogue à la mémoire d'ordinateur de type disque dur à semi-conducteurs par rapport à la rotation, les dispositifs thermoélectriques conçus par UA ne nécessitent aucune pièce mobile. Intentionnellement, ils sont autonomes, plus facile à fabriquer et plus facile à entretenir par rapport à la technologie actuellement disponible.

"Vous pouvez simplement prendre une paire d'électrodes métalliques et les peindre avec une seule couche de ces molécules, " dit Bergfield. " Cela vous donnerait un petit sandwich qui agirait comme votre appareil thermoélectrique. Avec un appareil à semi-conducteurs, vous n'avez pas besoin d'agents de refroidissement, vous n'avez pas besoin d'expéditions d'azote liquide, et vous n'avez pas besoin de faire beaucoup d'entretien."

"Tu pourrais dire, au lieu du gaz fréon, nous utilisons du gaz d'électrons, " ajouta Stafford.

"Les effets que nous voyons ne sont pas uniques aux molécules que nous avons utilisées dans notre simulation, " a déclaré Bergfield. " N'importe quel appareil à l'échelle quantique où vous avez une annulation de charge électrique fera l'affaire, tant qu'il y a une différence de température. Plus la différence de température est grande, plus vous pouvez générer de puissance."

Les dispositifs thermoélectriques moléculaires pourraient aider à résoudre un problème qui afflige actuellement les cellules photovoltaïques qui récupèrent l'énergie de la lumière du soleil.

"Les panneaux solaires deviennent très chauds et leur efficacité diminue, " a déclaré Stafford. " Vous pouvez récupérer une partie de cette chaleur et l'utiliser pour générer de l'électricité supplémentaire tout en refroidissant simultanément le panneau et en rendant son propre processus photovoltaïque plus efficace. "

"Avec un dispositif thermoélectrique très efficace basé sur notre conception, vous pourriez alimenter environ 200 ampoules de 100 watts en utilisant la chaleur perdue d'une automobile, " dit-il. " En d'autres termes, on pourrait augmenter l'efficacité de la voiture de plus de 25 %, ce qui serait idéal pour un hybride puisqu'il utilise déjà un moteur électrique."

Donc, la prochaine fois que vous regarderez une voiture de sport rouge passer, pensez à la puissance cachée de l'électron et à quel point cette voiture de sport pourrait être plus efficace avec un dispositif thermoélectrique enroulé autour de son tuyau d'échappement.