(Phys.org)—Actuellement, jusqu'à 75 % de l'énergie générée par le moteur d'une voiture est perdue sous forme de chaleur résiduelle. En théorie, une partie de cette chaleur perdue peut être convertie en électricité à l'aide de dispositifs thermoélectriques, bien que jusqu'à présent, l'efficacité de ces dispositifs ait été trop faible pour permettre une commercialisation à grande échelle.

Maintenant dans une nouvelle étude, les physiciens ont démontré qu'un dispositif thermoélectrique fait de nanofils peut atteindre un rendement suffisamment élevé pour être compétitif industriellement, potentiellement conduire à des améliorations de l'économie de carburant et d'autres applications.

Les scientifiques, Khandker A. Muttalib et Selman Hershfield, tous deux professeurs de physique à l'Université de Floride à Gainesville, ont publié un article sur le nouveau dispositif thermoélectrique dans un récent numéro de Examen physique appliqué .

En plus de récupérer l'énergie de la chaleur perdue dans les moteurs à combustion des véhicules, les dispositifs thermoélectriques pourraient également remplir des fonctions similaires dans les moteurs des navires, ainsi que dans les centrales électriques, raffineries de fabrication, et d'autres endroits qui produisent de grandes quantités de chaleur résiduelle.

Dans leur papier, les scientifiques expliquent que l'utilisation de matériaux en vrac dans les dispositifs thermoélectriques s'est avérée intrinsèquement inefficace, mais les matériaux nanotechnologiques semblent être plus prometteurs. Le nouveau dispositif se compose simplement de deux gros fils à des températures différentes reliés par plusieurs sans interaction, nanofils très fins. Chaque nanofil transmet le courant du fil le plus chaud au fil le plus froid, et de nombreux nanofils en parallèle peuvent augmenter la puissance jusqu'à des niveaux élevés.

L'un des plus grands défis auxquels sont confrontés les appareils thermoélectriques est que les conditions qui optimisent l'efficacité et la puissance de sortie d'un appareil sont différentes pour différents gradients de température entre les deux fils ainsi que pour différentes charges électriques (combien d'énergie est consommée à un moment donné). En raison de cette complexité, le dispositif optimal pour un gradient de température et une charge particuliers peut ne pas fonctionner aussi bien pour un gradient de température ou une charge différent.

Les chercheurs ici ont trouvé un moyen de contourner ce problème en appliquant une tension aux nanofils, ce qui permet de transmettre la puissance le long des nanofils uniquement à des énergies supérieures à une certaine valeur. Cette valeur dépend du gradient de température et de la charge, qui varient, mais la tension appliquée peut également être modifiée afin d'ajuster la transmission de puissance et d'optimiser simultanément la puissance et l'efficacité de l'appareil.

L'utilisation de nanofils pour connecter les fils présente également un avantage pratique par rapport à l'utilisation d'autres matériaux. Alors que de nombreux autres matériaux candidats sont difficiles à fabriquer de manière fiable, les nanofils peuvent être fabriqués de manière fiable et contrôlable, ce qui est important pour obtenir les dimensions optimales précises.

Bien que l'analyse théorique des physiciens suggère que le dispositif proposé pourrait avoir des avantages de performances significatifs par rapport aux dispositifs actuels, ils avertissent qu'il est trop tôt pour faire des estimations définitives.

"Toute estimation à ce stade ne sera pas fiable car il y a tellement de façons de perdre de la chaleur dans n'importe quel appareil pratique que notre proposition théorique ne prend pas en compte, " Muttalib a dit Phys.org . "Même à ce moment là, nous avons donné une estimation très grossière dans notre article où l'efficacité et la puissance de sortie peuvent être réglées (avec une tension de grille) pour être considérablement plus grandes que n'importe quel appareil commercial actuellement disponible. A noter qu'il existe d'autres propositions théoriques avec un grand rendement mais sans puissance suffisante, et donc pratiquement inutilisable."

Plus important encore, les physiciens espèrent que les nouvelles idées présentées ici pourront inspirer de nouvelles façons de penser la technologie thermoélectrique.

"Peut-être que la plus grande importance est un possible changement de paradigme dans la conception de dispositifs thermoélectriques, " dit Muttalib. " Actuellement, l'objectif de la communauté est majoritairement dans le régime dit de « réponse linéaire » (où la température et les gradients de tension à travers le matériau reliant les conducteurs chauds et froids sont faibles ); les performances de tels dispositifs dépendent uniquement des propriétés du matériau de connexion. Cela a limité les efforts actuels à la recherche ou à la conception d'un « bon » matériau thermoélectrique. Notre travail suggère que, en régime "non linéaire", les performances de l'appareil dépendent aussi de manière cruciale des paramètres des cordons et des charges; l'optimisation des performances dans de tels cas a beaucoup plus de possibilités intéressantes à explorer."

Bien que ce travail offre de nombreuses nouvelles directions possibles pour de futures recherches, Muttalib et Hershfield espèrent que ce seront d'autres scientifiques qui feront avancer la technologie.

"Nous sommes tous les deux des physiciens théoriciens faisant de la recherche en sciences fondamentales, et en particulier nous ne sommes pas des experts en technologie des appareils, " a déclaré Muttalib. "Nous sommes tombés sur l'idée actuelle en essayant de comprendre les effets de la réponse non linéaire sur le transport des électrons dans les nanosystèmes. Nous espérons que les expérimentateurs et les ingénieurs d'appareils trouveront notre travail intéressant et le poursuivront pour construire un appareil réel. Notre prochain plan dans ce domaine général est de comprendre, encore une fois à un niveau théorique très fondamental, les effets des phonons ou des vibrations du réseau dans les nanosystèmes en général ; ces effets sont également connus pour être importants pour les dispositifs thermoélectriques."

Le dispositif thermoélectrique à base de nanofils n'est pas la seule nouvelle conception thermoélectrique à apparaître récemment. Dans le même numéro de Examen physique appliqué , Riccardo Bosisio, et al., au Service de Physique de l'Etat Condensé en France ont développé un dispositif thermoélectrique dans lequel les électrons voyagent à travers les nanofils par "sauts assistés par phonons, " où les phonons sont des vibrations qui transportent de la chaleur.

© 2015 Phys.org