(Phys.org) -- Les chercheurs développent une technique qui utilise la nanotechnologie pour récupérer l'énergie des tuyaux chauds ou des composants du moteur afin de potentiellement récupérer l'énergie gaspillée dans les usines, centrales électriques et voitures.

"La triste vérité est que 58 % de l'énergie produite aux États-Unis est gaspillée sous forme de chaleur, " dit Yue Wu, professeur adjoint de génie chimique à l'Université Purdue. « Si nous pouvions récupérer seulement 10 %, cela nous permettrait de réduire considérablement la consommation d'énergie et les émissions des centrales électriques.

Des chercheurs ont enduit des fibres de verre d'un nouveau matériau « thermoélectrique » qu'ils ont développé. Lorsque les matériaux thermoélectriques sont chauffés d'un côté, les électrons circulent vers le côté le plus froid, générer un courant électrique.

Les fibres enduites pourraient également être utilisées pour créer une technologie de refroidissement à semi-conducteurs qui ne nécessite pas de compresseurs ni de réfrigérants chimiques. Les fibres peuvent être tissées dans un tissu pour fabriquer des vêtements rafraîchissants.

Les fibres de verre sont plongées dans une solution contenant des nanocristaux de tellurure de plomb, puis exposées à la chaleur dans un processus appelé recuit pour fusionner les cristaux ensemble.

De telles fibres pourraient être enroulées autour des tuyaux industriels dans les usines et les centrales électriques, ainsi que sur les moteurs de voitures et les systèmes d'échappement automobiles, récupérer une grande partie de l'énergie gaspillée. La technologie de « récupération d'énergie » pourrait réduire considérablement la quantité de chaleur perdue, dit Wu.

Les résultats ont été détaillés dans un article de recherche paru le mois dernier dans la revue Nano lettres. L'article a été écrit par Daxin Liang, un ancien étudiant d'échange Purdue de l'Université de Jilin en Chine; les étudiants diplômés de Purdue Scott Finefrock et Haoran Yang; et Wu.

Les matériaux thermoélectriques haute performance d'aujourd'hui sont cassants, et les dispositifs sont formés de gros disques ou blocs.

"Ce genre de méthode de fabrication nécessite d'utiliser beaucoup de matière, " a déclaré Wu.

Les nouveaux dispositifs flexibles se conformeraient aux formes irrégulières des moteurs et des tuyaux d'échappement tout en utilisant une petite fraction du matériau requis pour les dispositifs thermoélectriques conventionnels.

"Cette approche donne le même niveau de performance que les matériaux thermoélectriques conventionnels mais elle nécessite l'utilisation de beaucoup moins de matériau, ce qui conduit à un coût inférieur et est pratique pour la production de masse, " a déclaré Wu.

La nouvelle approche promet une méthode qui peut être étendue aux processus industriels, rendre possible la production de masse.

"Nous avons démontré un matériau composé principalement de verre avec seulement un revêtement de 300 nanomètres d'épaisseur de tellurure de plomb, " a déclaré Finefrock. " Ainsi, alors que les dispositifs thermoélectriques d'aujourd'hui nécessitent de grandes quantités de tellure, élément coûteux, notre matériau ne contient que 5 pour cent de tellure. Nous envisageons une fabrication en série pour enrober les fibres rapidement dans un processus de bobine à bobine."

En plus de produire de l'électricité lorsqu'il est exposé à la chaleur, les matériaux peuvent également fonctionner de manière inverse :l'application d'un courant électrique lui fait absorber de la chaleur, représentant une méthode de climatisation à semi-conducteurs possible. De telles fibres pourraient un jour être tissées dans des vêtements rafraîchissants ou utilisées dans d'autres technologies de refroidissement.

Les chercheurs ont montré que le matériau a une efficacité thermoélectrique prometteuse, qui est mesuré à l'aide d'une formule pour déterminer une unité de mesure appelée ZT. Un élément clé de la formule est le « coefficient de Seebeck, " du nom du physicien allemand du XIXe siècle Thomas Seebeck, qui a découvert l'effet thermoélectrique.

ZT est défini par le coefficient de Seebeck, ainsi que la conductivité électrique et thermique du matériau et d'autres facteurs. Ayant une faible conductivité thermique, un coefficient Seebeck et une conductivité électrique élevés donnent un nombre ZT élevé.

"Il est difficile d'optimiser tous ces trois paramètres simultanément car si vous augmentez la conductivité électrique, et la conductivité thermique augmente, le coefficient de Seebeck baisse, " a déclaré Wu.

La plupart des matériaux thermoélectriques à usage commercial ont un ZT de 1 ou moins. Cependant, des matériaux nanostructurés pourraient être utilisés pour réduire la conductivité thermique et augmenter le nombre ZT.

Les chercheurs de Purdue ont utilisé le nombre ZT pour calculer l'efficacité maximale théoriquement possible avec un matériau.

"Nous analysons l'abondance matérielle, le coût, toxicité et performances, et nous avons établi un seul paramètre appelé le ratio d'efficacité, " a déclaré Wu.

Bien que des matériaux thermoélectriques de haute performance aient été développés, les matériaux ne sont pas pratiques pour des applications industrielles répandues.

"Les plus performants d'aujourd'hui ont une composition compliquée, les rendant chères et difficiles à fabriquer, " Wu a dit. " Aussi, ils contiennent des matières toxiques, comme l'antimoine, qui restreint la recherche thermoélectrique.

Les nanocristaux sont un ingrédient essentiel, en partie parce que les interfaces entre les minuscules cristaux servent à supprimer la vibration de la structure du réseau cristallin, réduire la conductivité thermique. Les matériaux pourraient présenter un "confinement quantique, " dans lequel les structures sont si petites qu'elles se comportent presque comme des atomes individuels.

"Cela signifie que, comme les électrons transportent la chaleur à travers les structures, la tension moyenne de ces électrons caloporteurs est plus élevée qu'elle ne le serait dans des structures plus grandes, " Dit Finefrock. " Puisque vous avez des électrons à plus haute tension, vous pouvez générer plus de puissance."

Ce confinement peut faire monter le chiffre ZT.

Une demande de brevet américain a été déposée pour le concept de revêtement de fibres.

Les travaux futurs pourraient se concentrer sur le recuit à plus haute température pour améliorer l'efficacité, et les chercheurs explorent également une méthode différente pour éliminer complètement le recuit, ce qui pourrait permettre d'enrober des fibres polymères à la place du verre.

"Les polymères pourraient être tissés dans un appareil portable qui pourrait être un vêtement rafraîchissant, " a déclaré Wu.

Les chercheurs peuvent également travailler sur le revêtement des fibres de verre avec un polymère pour améliorer la résilience du matériau thermoélectrique, qui a tendance à développer de petites fissures lorsque les fibres sont pliées à angles vifs.

Les chercheurs ont démontré le concept avec une expérience utilisant un système contenant des tubes de diamètres différents nichés à l'intérieur d'un tube plus grand. L'eau chaude s'écoule à travers un tube central et l'eau plus froide s'écoule à travers un tube extérieur, avec une couche de matériau thermoélectrique entre les deux.

Les chercheurs de Purdue explorent également d'autres matériaux au lieu du plomb et du tellure, qui sont toxiques, et les résultats préliminaires suggèrent que ces nouveaux matériaux sont capables d'une valeur ZT élevée.

"Bien sûr, le fait que notre procédé utilise une si petite quantité de matériau – une couche de seulement 300 nanomètres d'épaisseur – minimise le problème de toxicité, " dit Wu. " Cependant, nous nous concentrons également sur des matériaux non toxiques et abondants."