Las instalaciones de neutrones del Laboratorio Nacional de Oak Ridge están ayudando a los científicos en la investigación para aumentar la potencia y la eficiencia de los materiales termoeléctricos. Estos aumentos de rendimiento podrían permitir usos más rentables y prácticos para termoeléctricos, con una adopción industrial más amplia, para mejorar el ahorro de combustible en los vehículos, hacer que las plantas de energía sean más eficientes, y tecnologías avanzadas impulsadas por el calor corporal para relojes y teléfonos inteligentes.

Materiales termoeléctricos, típicamente compuestos metálicos, puede convertir el calor en electricidad y viceversa en presencia de un gradiente de temperatura, haciéndolos ideales para aplicaciones en recuperación de calor residual.

La termoeléctrica podría capitalizar enormes cantidades de calor residual no utilizado producido por las operaciones industriales, generación de energía con combustibles fósiles, edificios comerciales, vehículos e incluso personas al convertir ese calor "perdido" en energía utilizable. Pero hasta ahora su aplicación se ha limitado a tecnologías complementarias debido a su baja eficiencia en comparación con las formas convencionales de generación de energía.

Para alcanzar los puntos de referencia establecidos para dispositivos termoalimentados independientes, Los científicos ahora están investigando más profundamente, hasta los átomos, en materiales y métodos prometedores para elevar las puntuaciones de eficiencia.

Trabajando con un material a base de magnesio-antimonio, un equipo de investigación internacional dirigido por el físico Zhifeng Ren de la Universidad de Houston ha demostrado un aumento sustancial en el factor de potencia de la aleación, o producción total de energía, con una técnica llamada ingeniería de defectos. Sustituyendo átomos de cobalto en sitios estratégicos, los investigadores alteraron la vía de los electrones de una manera que mejoró significativamente su movilidad. El análisis de neutrones realizado en ORNL jugó un papel clave en la verificación del éxito del método.

Los resultados, publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , son comercialmente relevantes con una figura de mérito, o valor ZT, de ~ 1.7 logrado en eficiencia termoeléctrica. Lo más significativo es el aumento del factor de potencia del material a temperatura ambiente con un salto récord de 5 a 13 μW · cm ⁻¹ · K ⁻² que más que duplica la producción total de energía del material.

El factor de potencia resultante está lejos del récord de 106 a temperatura ambiente alcanzado anteriormente por Ren y otros, pero el método de potenciarlo podría aplicarse a materiales superiores, en particular aquellos con un factor de potencia ya por encima de 100, para hacer que los termoeléctricos más eficientes sean aún mejores.

El enfoque funciona ajustando la estructura atómica del compuesto para superar una resistencia inherente en el flujo de electrones que ha limitado el potencial de los termoeléctricos. A nivel atómico, Los efectos termoeléctricos ocurren cuando los portadores, o electrones, moverse en respuesta a la temperatura. A medida que los electrones se mueven a través de los materiales, interactúan con los átomos y se dispersan en un camino tortuoso en lugar de una ruta directa, lo que resulta en una conversión de energía ineficiente.

Para producir más calor o más energía con termoeléctricos, En general, la investigación ha favorecido dos vías:aumentar el número de transportistas o aumentar la movilidad de los transportistas. Diseñar un material o cambiar un material existente para acomodar más electrones es una solución, aunque es difícil modificar un material manteniendo sus propiedades termoeléctricas. Otra opción, adoptado por el equipo de investigación, es afinar los materiales a nivel atómico para suavizar el camino para que los electrones pasen con menos resistencia, aumentando así el factor de potencia del material.

El objetivo no es crear más espacio en los materiales, sino más bien afinar las vibraciones naturales de los átomos que gobiernan sus interacciones con los electrones introduciendo "defectos" que no están presentes de forma natural. Al colocar estratégicamente la cantidad correcta de cobalto en la aleación modificada, los investigadores pueden dispersar los electrones en la aleación de manera más eficiente.

"Esta es una forma sofisticada de mejorar la termoeléctrica de abajo hacia arriba al controlar la forma en que los electrones se dispersan a través de los materiales, "dijo Clarina de la Cruz de ORNL, que colaboró ​​en el estudio.

Como científico de instrumentos para el difractómetro de polvo de neutrones HB-2A en el reactor de isótopos de alto flujo, de la Cruz dirigió la investigación de dispersión de neutrones para analizar el Mg dopado con cobalto ₃ Sb ₂ material.

Un objetivo clave para los investigadores fue identificar las ubicaciones precisas de los átomos de cobalto de reemplazo introducidos para verificar su papel como centros de dispersión de electrones. El trabajo no hubiera sido posible sin el uso de neutrones y su singularidad, Capacidades no destructivas para observar la materia a nivel atómico.

Los neutrones eran esenciales debido a la complejidad del material, explicó de la Cruz. "Observar sustituciones estratégicas en metales de transición e identificar concentraciones muy pequeñas de cobalto no es una tarea fácil. Incluso sin el desafío añadido de las sustituciones, algunos de estos elementos están tan juntos en la tabla periódica que descifrarlos con rayos X u otros métodos es extremadamente difícil. Realmente se necesitan neutrones para resolver este tipo de problema ".

"La ciencia de los neutrones se ha convertido en una parte integral del ciclo para impulsar el rendimiento de la termoeléctrica, ", dijo De la Cruz." Investigadores de todo el mundo que están diseñando nuevos materiales utilizan las instalaciones de neutrones de ORNL para verificar y mejorar sus resultados, en este caso, alimentando la seguridad energética del futuro ".

La investigación es apoyada en parte por el Centro de Conversión de Energía Solar Térmica de Estado Sólido, un Centro de Investigación Energy Frontier financiado por la Oficina de Ciencias del DOE.

Artículo publicado originalmente en Noticias de neutrones .