Des chercheurs en ingénierie du Rensselaer Polytechnic Institute ont développé de nouveaux nanomatériaux thermoélectriques, sur la photo ci-dessus, qui pourraient conduire à des techniques pour mieux capter et mettre en œuvre cette chaleur perdue. Les ingrédients clés pour la fabrication de granulés de la taille d'un marbre du nouveau matériau sont l'aluminium et un matériau commun, four à micro-ondes de tous les jours.
(PhysOrg.com) -- La chaleur résiduelle est un sous-produit de presque tous les appareils électriques et processus industriels, de la conduite d'une voiture au pilotage d'un avion ou à l'exploitation d'une centrale électrique. Des chercheurs en ingénierie du Rensselaer Polytechnic Institute ont développé de nouveaux nanomatériaux qui pourraient conduire à des techniques permettant de mieux capturer et exploiter cette chaleur perdue. Les ingrédients clés pour la fabrication de granulés de la taille d'un marbre du nouveau matériau sont l'aluminium et un matériau commun, four à micro-ondes de tous les jours.
La récupération de l'électricité à partir de la chaleur résiduelle nécessite un matériau qui est bon pour conduire l'électricité mais qui ne conduit pas la chaleur. L'un des candidats les plus prometteurs pour ce poste est l'oxyde de zinc, un non toxique, matériau peu coûteux avec un point de fusion élevé. Alors que des techniques de nano-ingénierie existent pour augmenter la conductivité électrique de l'oxyde de zinc, la conductivité thermique élevée du matériau est un obstacle à son efficacité dans la collecte et la conversion de la chaleur résiduelle. Parce que la conductivité thermique et électrique sont des propriétés liées, il est très difficile de diminuer l'un sans diminuer aussi l'autre.
Cependant, une équipe de chercheurs dirigée par Ganpati Ramanath, professeur au Département de science et génie des matériaux de Rensselaer, en collaboration avec l'Université de Wollongong, Australie, ont démontré une nouvelle façon de diminuer la conductivité thermique de l'oxyde de zinc sans réduire sa conductivité électrique. L'innovation consiste à ajouter des quantités infimes d'aluminium à l'oxyde de zinc, et le traitement des matériaux dans un four à micro-ondes. Le procédé est adapté d'une technique inventée à Rensselaer par Ramanath, étudiant diplômé Rutvik Mehta, et Théo Borca-Tasciuc, professeur agrégé au Département de mécanique, Aérospatial, et Génie nucléaire (MANE). Ces travaux pourraient ouvrir la porte à de nouvelles technologies pour récupérer la chaleur résiduelle et créer des voitures à haute efficacité énergétique, avion, centrales électriques, et d'autres systèmes.
« La récupération de la chaleur résiduelle est une proposition très attrayante, puisque nous pouvons convertir la chaleur en électricité et l'utiliser pour alimenter des appareils - comme dans une voiture ou un jet - qui crée la chaleur en premier lieu. Cela conduirait à une plus grande efficacité dans presque tout ce que nous faisons et, finalement, réduire notre dépendance aux énergies fossiles, », a déclaré Ramanath. « Nous sommes les premiers à démontrer des propriétés thermoélectriques aussi favorables dans des matériaux haute température de grande taille, et nous pensons que notre découverte ouvrira la voie à de nouveaux dispositifs de récupération d'énergie à partir de la chaleur résiduelle.
Les résultats de l'étude sont détaillés dans l'article "Al-Doped Zinc Oxide Nanocomposites with Enhanced Thermoelectric Properties, » publié récemment par la revue Lettres nano . Consultez le document en ligne à l'adresse :pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl202439h
Pour créer le nouveau nanomatériau, les chercheurs ont ajouté des quantités infimes d'aluminium à des nanocristaux d'oxyde de zinc à forme contrôlée, et les a chauffés dans un four à micro-ondes à 40 $. L'équipe de Ramanath est capable de produire plusieurs grammes de nanomatériau en quelques minutes, ce qui suffit à faire un appareil mesurant quelques centimètres de long. Le procédé est moins coûteux et plus évolutif que les méthodes conventionnelles et est respectueux de l'environnement, dit Ramanath. Contrairement à de nombreux nanomatériaux qui sont fabriqués directement sur un substrat ou une surface, cette nouvelle méthode micro-ondes peut produire des pastilles de nanomatériaux qui peuvent être appliqués sur différentes surfaces. Ces attributs, avec une faible conductivité thermique et une conductivité électrique élevée, conviennent parfaitement aux applications de récupération de chaleur.
« Notre découverte pourrait être la clé pour surmonter les principaux défis fondamentaux liés au travail avec des matériaux thermoélectriques, ", a déclaré le collaborateur du projet Borca-Tasciuc. « De plus, notre processus se prête à une mise à l'échelle pour une production à grande échelle. C'est vraiment incroyable que quelques atomes d'aluminium puissent conspirer pour nous donner des propriétés thermoélectriques qui nous intéressent.
