Il gioco del laboratorio WVU

Oct 02, 2023

I ricercatori della WVU Sergio Andres Paredes Navia, Cesar Octavio Romo de la Cruz, Liang Liang ed Ellena Gemmen utilizzano un microscopio elettronico per studiare la nanostruttura di un nuovo materiale ceramico a base di ossido con il potenziale di rendere i generatori termoelettrici abbastanza efficienti da catturare una parte significativa dei rifiuti calore emesso dai sistemi industriali come le centrali elettriche. (Foto inviata)

I ricercatori della West Virginia University hanno progettato un materiale con il potenziale di ridurre drasticamente la quantità di calore rilasciato dalle centrali elettriche nell’atmosfera.

Un team guidato da Xueyan Song, professore e presidente di ingegneria George B. Berry presso il Benjamin M. Statler College of Engineering and Mineral Resources, ha creato un materiale ceramico a base di ossido che risolve un problema di efficienza di lunga data che affligge i generatori termoelettrici. Questi dispositivi possono generare elettricità dal calore, comprese le emissioni di calore delle centrali elettriche, che contribuiscono al riscaldamento globale.

La rivoluzionaria ceramica a base di ossido prodotta dal team di Song "ha raggiunto prestazioni record che erano state ritenute impossibili", ha affermato. "Abbiamo dimostrato i migliori ossidi ceramici termoelettrici riportati sul campo in tutto il mondo negli ultimi 20 anni e i risultati aprono nuove direzioni di ricerca che potrebbero aumentare ulteriormente le prestazioni."

Cesar Octavio Romo de la Cruz, Yun Chen, Liang Liang e Sergio A. Paredes Navia hanno contribuito allo studio, sostenuto da 639.784 dollari di finanziamenti della National Science Foundation. I risultati compaiono in Renewable and Sustainable Energy Reviews.

Le ceramiche a base di ossido appartengono alla stessa famiglia di materiali come ceramica, porcellana, mattoni di argilla, cemento e silicio, ma contengono vari elementi metallici. Sono duri, resistenti al calore e alla corrosione e adatti per applicazioni ad alta temperatura nell'aria. Possono servire come materiale per i componenti del generatore termoelettrico.

Tuttavia, le ceramiche a base di ossido hanno strutture "policristalline" composte da più cristalli collegati. Gli ingegneri hanno problemi con le applicazioni termoelettriche su larga scala di questi materiali poiché i “confini dei grani”, i luoghi in cui questi cristalli si incontrano, bloccano il flusso di corrente e di elettroni che alimentano i generatori termoelettrici.

La squadra di Song ha trasformato quell'ostacolo in un trampolino di lancio.

"Abbiamo intenzionalmente aggiunto 'droganti', o ioni metallici, nella ceramica policristallina, spingendo tipi speciali di droganti a segregarsi ai confini del grano", ha detto il ricercatore post-dottorato Romo de la Cruz. "È così che abbiamo trasformato gli inevitabili e dannosi confini dei grani in percorsi di conduzione elettrica, migliorando significativamente le prestazioni termoelettriche."

La ricerca risponde al crescente problema del calore di scarto, un fattore che contribuisce al cambiamento climatico e sottoprodotto della maggior parte delle operazioni che convertono il carburante in energia. Quando le lampadine diventano calde al tatto, emettono calore di scarto: energia extra inefficiente che non contribuisce al loro compito primario di produrre luce. Il calore di scarto viene rilasciato nell’atmosfera da sistemi diversi come centrali elettriche, sistemi di riscaldamento domestico e automobili, e ne viene emesso abbastanza perché si prevede che il mercato globale dei sistemi che lo recuperano supererà i 70 miliardi di dollari entro il 2026.

"Il calore viene utilizzato per produrre quasi tutto, dal cibo ai metalli all'elettricità", ha spiegato Romo de la Cruz. "Ma durante questi processi, circa il 60% dell'energia prodotta viene rilasciata improduttivamente nell'ambiente sotto forma di calore. Il recupero del calore di scarto svolgerà un ruolo sempre più chiave nel bilanciare la crescente domanda di elettricità con l'impronta di carbonio dei processi industriali. Ossido termoelettrico le ceramiche come la nostra entrano in gioco migliorando sostanzialmente la capacità dei generatori termoelettrici di convertire il calore di scarto in elettricità."

I generatori termoelettrici sono una tecnologia promettente per il recupero del calore di scarto, in parte perché sono semplici da utilizzare e mantenere. Un potente generatore termoelettrico potrebbe catturare una parte significativa del calore di scarto di una centrale elettrica.