Perseverance, le rover Mars 2020 de la NASA, est alimenté par quelque selected de très souhaitable ici sur Terre : un dispositif thermoélectrique, qui convertit la chaleur en électricité utile.
Sur Mars, la resource de chaleur est la désintégration radioactive du plutonium, et l’efficacité de conversion de l’appareil est de 4 à 5 %. C’est assez bon pour alimenter Persévérance et ses opérations, mais pas assez pour des purposes sur Terre.
Une équipe de scientifiques de l’Université Northwestern et de l’Université nationale de Séoul en Corée a maintenant démontré un matériau thermoélectrique haute effectiveness sous une forme pratique qui peut être utilisé dans le développement de dispositifs. Le matériau – le séléniure d’étain purifié sous forme polycristalline – surpasse la forme monocristalline dans la conversion de la chaleur en électricité, ce qui en fait le système thermoélectrique le moreover efficace jamais enregistré. Les chercheurs ont pu atteindre le taux de conversion élevé après avoir identifié et éliminé un problème d’oxydation qui avait dégradé les performances dans des études antérieures.
Le séléniure d’étain polycristallin pourrait être développé pour être utilisé dans des dispositifs thermoélectriques à semi-conducteurs dans une variété d’industries, avec des économies d’énergie potentiellement énormes. Un objectif d’application clé est la seize de la chaleur résiduelle industrielle – telle que celle des centrales électriques, de l’industrie auto et des usines de verrerie et de fabrication de briques – et sa conversion en électricité. Additionally de 65 % de l’énergie produite dans le monde à partir de combustibles fossiles est perdue sous forme de chaleur résiduelle.
“Les dispositifs thermoélectriques sont utilisés, mais uniquement dans des applications de area of interest, comme dans le rover Mars”, a déclaré Mercouri Kanatzidis de Northwestern, un chimiste spécialisé dans la conception de nouveaux matériaux. “Ces appareils n’ont pas réussi comme les cellules solaires, et il y a des défis importants à faire de bons. Nous nous concentrons sur le développement d’un matériau qui serait à faible coût et haute overall performance et propulser les dispositifs thermoélectriques dans une software in addition répandue.”
Kanatzidis, professeur de chimie Charles E. et Emma H. Morrison au Weinberg Higher education of Arts and Sciences, est co-auteur de l’étude. Il a un rendez-vous conjoint avec le Laboratoire National d’Argonne.
Les détails du matériau thermoélectrique et de ses performances report seront publiés le 2 août dans la revue Nature Materials.
In Chung de l’Université nationale de Séoul est l’autre auteur co-correspondant de l’article. Vinayak Dravid, professeur Abraham Harris de science et d’ingénierie des matériaux à la McCormick University of Engineering de Northwestern, est l’un des auteurs principaux de l’étude. Dravid est un collaborateur de longue date de Kanatzidis.
Les dispositifs thermoélectriques sont déjà bien définis, dit Kanatzidis, mais ce qui les fait fonctionner bien ou non, c’est le matériau thermoélectrique à l’intérieur. Un côté de l’appareil est chaud et l’autre froid. Le matériau thermoélectrique se trouve au milieu. La chaleur circule à travers le matériau et une partie de la chaleur est convertie en électricité, qui quitte l’appareil by using des fils.
Le matériau doit avoir une conductivité thermique extrêmement faible tout en conservant une bonne conductivité électrique pour être efficace dans la conversion de la chaleur perdue. Et comme la supply de chaleur peut atteindre 400 à 500 degrés Celsius, le matériau doit être steady à des températures très élevées. Ces défis et d’autres rendent les dispositifs thermoélectriques plus difficiles à produire que les cellules solaires.
« Il se passait quelque selected de diabolique »
En 2014, Kanatzidis et son équipe ont rapporté la découverte d’un matériau surprenant qui était le meilleur au monde pour convertir la chaleur perdue en électricité utile : la forme cristalline du composé chimique séléniure d’étain. Bien qu’il s’agisse d’une découverte importante, la forme monocristalline n’est pas pratique pour la production de masse en raison de sa fragilité et de sa tendance à s’écailler.
Le séléniure d’étain sous forme polycristalline, qui est moreover résistant et peut être coupé et façonné pour des applications, était nécessaire, alors les chercheurs se sont tournés vers l’étude du matériau sous cette forme. Dans une mauvaise surprise, ils ont découvert que la conductivité thermique du matériau était élevée, et non le faible niveau souhaitable trouvé dans la forme monocristalline.
“Nous avons réalisé que quelque chose de diabolique se produisait”, a déclaré Kanatzidis. “On s’attendait à ce que le séléniure d’étain sous forme polycristalline n’ait pas une conductivité thermique élevée, mais c’était le cas. Nous avons eu un problème.”
Après un examen plus approfondi, les chercheurs ont découvert une peau d’étain oxydé sur le matériau. La chaleur a traversé la peau conductrice, augmentant la conductivité thermique, ce qui est indésirable dans un dispositif thermoélectrique.
Une resolution est trouvée, ouvrant des portes
Après avoir appris que l’oxydation provenait à la fois du processus lui-même et des matières premières, l’équipe coréenne a trouvé un moyen d’éliminer l’oxygène. Les chercheurs ont ensuite pu produire des pastilles de séléniure d’étain sans oxygène, qu’ils ont ensuite testées.
La véritable conductivité thermique de la forme polycristalline a été mesurée et s’est avérée inférieure, comme prévu initialement. Ses performances en tant que dispositif thermoélectrique, convertissant la chaleur en électricité, ont dépassé celles de la forme monocristalline, ce qui en fait le plus efficace jamais enregistré.
L’efficacité de la conversion de la chaleur perdue en thermoélectrique se reflète dans sa « determine de mérite », un nombre appelé ZT. In addition le nombre est élevé, meilleur est le taux de conversion. Le ZT du séléniure d’étain monocristallin était d’environ 2,2 à 2,6 à 913 Kelvin. Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont découvert que le séléniure d’étain purifié sous forme polycristalline avait un ZT d’environ 3,1 à 783 Kelvin. Sa conductivité thermique était extremely-faible, inférieure à celle des monocristaux.
“Cela ouvre la porte à la design de nouveaux dispositifs à partir de pastilles de séléniure d’étain polycristallin et à l’exploration de leurs programs”, a déclaré Kanatzidis.
Northwestern détient la propriété intellectuelle du séléniure d’étain. Les domaines d’application potentiels du matériau thermoélectrique comprennent l’industrie auto (une quantité importante d’énergie potentielle de l’essence kind du tuyau d’échappement d’un véhicule), les industries manufacturières lourdes (telles que la fabrication de verre et de briques, les raffineries, les centrales électriques au charbon et au gaz) et les endroits où les gros moteurs à combustion fonctionnent en continu (comme dans les grands navires et les pétroliers).