Calor que vira eletricidade: Termoelétricos ficam baratos e verdes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/11/2022

Os novos cristais termoelétricos são feitos com elementos químicos benignos e de baixo custo.
[Imagem: V. Pavan Kumar et al. - 10.1002/anie.202210600]

Termoelétricos baratos

Os materiais termoelétricos convertem calor em eletricidade, mas também funcionam ao contrário, usando a eletricidade para lidar com o calor, neste caso sendo muito úteis para a refrigeração.

No primeiro caso eles podem criar uma nova fonte de energia limpa, ou de reciclagem de energia, transformando em eletricidade o calor desperdiçado em processos industriais, nos motores dos carros ou simplesmente desfrutando do calor do Sol. Na abordagem inversa, eles são úteis para o resfriamento de componentes eletrônicos dentro dos computadores e dos carros, ou em geladeiras de estado sólido, que não dependem dos tradicionais compressores dos refrigeradores atuais.

Embora existam há décadas, esses materiais são caros porque são fabricados com materiais raros, e os mais eficientes são feitos a partir de componentes tóxicos, como chumbo e telúrio.

Agora, uma equipe da França e do Japão sintetizou um novo material termoelétrico que é simples e barato de fabricar, feito a partir de componentes abundantes e disponíveis comercialmente.

O cristal termoelétrico é composto de cobre, manganês, germânio e enxofre, que é sintetizado por um processo termomecânico largamente usado na indústria. "Os pós são simplesmente ligados mecanicamente em um moinho de bolas para formar uma fase pré-cristalizada, que é então densificada a 600 graus Celsius. Este processo pode ser facilmente ampliado," disse Emmanuel Guilmeau, do Laboratório de Cristalografia e Ciência dos Materiais (Crismat), na França.

Até agora, a equipe já conseguiu sintetizar dois cristais diferentes usando os mesmos componentes. Eles descobriram que a substituição de uma pequena fração do manganês por cobre produz microestruturas complexas, com nanodomínios interconectados, defeitos e interfaces coerentes, que afetam as propriedades de transporte de elétrons e calor do material.

"Nós ficamos muito surpresos com o resultado. Normalmente, alterar ligeiramente a composição tem pouco efeito sobre a estrutura nesta classe de materiais," disse Guilmeau.

A equipe continua trabalhando para obter combinações ainda melhores e mais eficientes, mas os cristais fabricados até agora mostraram-se estáveis para geração termoelétrica a até 400 ºC, o que lhes dá uma ampla gama de aplicações práticas.

Na sinterização a laser, os termoelétricos são fabricados em segundos.
[Imagem: Mortaza Saeidi-Javash et al. - 10.1039/D2EE01844F]

Sinterização de termoelétricos

Outro avanço marcante no campo dos materiais termoelétricos foi obtido por Mortaza Javash e colegas da Universidade de Notre Dame, nos EUA.

Javash desenvolveu um sistema de fabricação que usa feixes de laser pulsados de alta intensidade para fazer a sinterização dos cristais em menos de um segundo, enquanto a sinterização padrão usada hoje na indústria leva várias horas - a sinterização é um processo metalúrgico usado para aglomerar os componentes de um material, formando um sólido muito resistente.

Essa melhoria drástica em um processo tão conhecido foi obtido com o uso da inteligência artificial, com um programa aprendendo como configurar as condições da síntese visando operar com combinações de componentes cada vez mais complexos e ainda fazer isto cada vez mais rápido.

Embora estejam trabalhando separadamente, a inovação de processo pode complementar a descoberta da outra equipe, permitindo sintetizar rapidamente materiais termoelétricos cada vez mais eficientes, usando um processo industrial tradicional e trabalhando com matérias-primas de custo baixo e ambientalmente benignas.

"Apesar de seu potencial de amplo impacto na sustentabilidade energética e ambiental, os dispositivos termoelétricos não alcançaram aplicação em larga escala devido à falta de um método para fabricação automatizada rápida e econômica," disse o professor Yanliang Zhang. "[Esses materiais] podem ser aplicados para alimentar tudo, desde dispositivos pessoais vestíveis, sensores e eletrônicos, até a internet das coisas da indústria.

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