Fai un'escursione in un luogo di campeggio inafferrabile, pieno di attrezzatura sufficiente per tenerti contento per un ritiro di tre giorni lontano dalla vita caotica della città. Ma quando sei pronto a partire, ti rendi conto non solo che il tuo cellulare è morto, ma la batteria si è esaurita dopo aver cercato un segnale per tutto il tempo in cui lo hai sgridato, ma non riesci a ricordare dove hai camminato, che significa che il GPS sul tuo telefono è la tua linfa vitale alla realtà. Fortunatamente, a causa di un nuovo materiale incorporato nella tua pentola, tutto ciò che devi fare è accendere la pentola, riscaldare l'acqua all'interno e collegare il telefono alla porta ad esso collegata. Nel giro di poche ore, il tuo telefono verrà ricaricato e potrai tornare in sicurezza al tuo camion parcheggiato sul sentiero.
I ricercatori dell'Università dello Utah hanno recentemente scoperto che il materiale non tossico composto da tre elementi chimici - calcio, cobalto e terbio - genera energia termoelettrica dal calore residuo. Inserendo il Ca3Co4Og tra uno strato caldo, come una pentola, e uno strato freddo, come il cibo o l'acqua all'interno della pentola, la carica dall'estremità calda si sposta attraverso l'estremità fredda, producendo una tensione elettrica.
L'energia viene generata attraverso un processo termoelettrico che utilizza le differenze di temperatura. In questo caso, dice Shrikant Saini, ricercatore post-dottore in scienza dei materiali e ingegneria, anche un solo grado di differenza di temperatura produce una tensione rilevabile.
"Nei materiali termoelettrici, quando un'estremità del materiale è calda e l'altra è fredda, i portatori di carica dall'estremità calda si spostano attraverso il materiale verso l'estremità fredda, generando una tensione elettrica", afferma Saini, autore principale sulla carta di recente pubblicato su Scientific Reports . "Alcuni milligrammi di questo materiale forniranno all'incirca un microwatt di elettricità."
Poiché il materiale è una scoperta così nuova, Saini afferma di essere nel mezzo dell'analisi della misurazione esatta da grammi a watt; tuttavia, la loro stima approssimativa mostra che per generare un watt di potenza sono necessari circa cinque grammi di materiale.
In questo grafico, il calore di una stufa calda, accoppiato con l'acqua più fredda o il cibo in una pentola, potrebbe generare abbastanza elettricità per caricare un telefono cellulare. (Ashutosh Tiwari) Un vecchio proverbio ci ammonisce di "non sprecare, non volere". Ma i rifiuti - sprechi di energia - sono difficili da catturare. Negli Stati Uniti, quasi la metà della nostra energia viene persa a causa dell'inefficienza e la maggior parte della nostra energia viene ancora generata da petrolio, gas naturale e carbone non rinnovabili. Secondo una tabella energetica degli Stati Uniti assemblata dal Lawrence Livermore National Laboratory, dei 97, 4 quadrilioni di unità termiche (o quadruple) britanniche di energia grezza generata nel 2013 da energia solare, nucleare, idroelettrica, eolica, geotermica, gas naturale, carbone, biomassa e petrolio, sono stati effettivamente utilizzati solo 38, 4 quad. Ciò significa che sono stati sprecati 59 quad. Trovare un modo per raccogliere e utilizzare questa energia sprecata potrebbe fornire una risorsa sostenibile per il futuro.
"Il calore residuo è in effetti un serbatoio ampiamente trascurato, ma vasto di possibile energia", afferma Jeffrey Urban, direttore di struttura inorganica presso la Molecular Foundry presso Berkeley Labs. "I termoelettrici sono una strada promettente per sfruttare e sfruttare questa risorsa: convertono direttamente il calore in elettricità senza parti mobili, fluidi di lavoro o altre complessità meccaniche."
Urban rileva che l'efficienza, i costi dei materiali e la facilità di implementazione sono tutte importanti considerazioni ingegneristiche, aggiungendo: "A causa della complessa fisica dei trasporti, la termoelettrica tende a funzionare in modo ottimale a una sola temperatura particolare".
Le precedenti composizioni di materiali termoelettrici erano costituite da cadmio, tellururo o mercurio, elementi che erano tutti tossici per l'uomo e, secondo la ricerca di Saini, non stabili come la combinazione Ca3Co4Og. Inoltre, i precedenti materiali termoelettrici non erano scalabili perché derivati dalla produzione o fabbricazione di singoli cristalli, che è sia costoso che impegnativo. La combinazione chimica di Saini può consentire l'applicazione su larga scala di questa tecnologia termoelettrica perché i prodotti chimici sono prontamente disponibili per mescolare e cuocere per derivare il materiale non tossico, rendendo più semplice la produzione in lotti più grandi. Questo rende la scoperta un possibile punto di svolta.
"Prevediamo molte applicazioni di questo materiale", afferma Saini. L'Università dello Utah ha fatto domanda per un brevetto. Saini non è in grado di rivelare alcuni dettagli specifici, ma aggiunge che il nuovo materiale potrebbe essere usato in gioielleria, pentole e automobili, o addirittura avere applicazioni mediche future.
La termoelettricità - o l'elettricità prodotta attraverso le differenze di temperatura - ebbe origine nel 1821 quando Thomas Seebeck e Jean Peltier scoprirono la conversione del calore in elettricità. Tre decenni dopo, nel 1851, William Thomson (noto anche come Lord Kelvin) scoprì che far passare una corrente elettrica attraverso un materiale può riscaldarla o raffreddarla, a seconda della diffusione degli elettroni. Da allora, il campo ha continuato ad evolversi mentre gli scienziati lavorano per portare la termoelettrica a una tecnologia scalabile.
Joshua Zide, professore associato di scienze dei materiali e ingegneria all'Università del Delaware, studia gli elementi delle terre rare, in particolare il terbio, che fa parte della combinazione di elementi chimici per la scoperta di Saini. Dice che il terbio non è necessariamente così abbondante come suggeriscono i ricercatori, sebbene la quantità utilizzata all'interno della composizione chimica possa rendere grandi quantità un punto controverso.
"[Il terbio] è, in effetti, molto più comune del tellurio, che è comunemente usato in termoelettrico ma in realtà è un po 'raro", afferma Zide. "Ciò ha portato a grandi aumenti dei prezzi negli ultimi anni, poiché la domanda è aumentata vertiginosamente sia per le celle termoelettriche che per quelle CdTe [celle solari fotovoltaiche al tellururo di cadmio, le seconde più comuni sul mercato]".
Saini afferma che questa tecnologia termoelettrica ha impiegato quasi dieci anni per concretizzarsi, con l'obiettivo iniziale di creare un materiale efficiente prima che il team aggiungesse la bio-compatibilità ai suoi requisiti finali. Una volta che il prodotto è brevettato, vogliono introdurlo commercialmente. "A questo punto, possiamo solo dire che nelle auto c'è un sacco di calore residuo, che può essere utilizzato per convertire in elettricità", afferma Saini.
Il futuro dell'energia termoelettrica è promettente, soprattutto con questa nuova scoperta. Art Gossard, professore emerito di materiali e ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della California-Santa Barbara, ritiene che la nuova tecnologia potrebbe avere applicazioni future nel progresso militare, in particolare la nave completamente elettrica.
"Potresti usare il calore proveniente dalle tue caldaie e dai tuoi reattori per generare elettricità che poi guiderebbe il motore elettrico e spingerebbe la nave elettrica", afferma Gossard. "Questa nave avrebbe il vantaggio di non lasciare dietro un pennacchio di acqua calda, il che rende più facile la localizzazione. Ma richiederebbe megawatt di potenza e il termoelettrico non è ancora scalato fino a quel punto ”.
Con questo materiale, forse ci arriveremo.
