Um material semicondutor de alto desempenho pode ajudar a reduzir as emissões de calor

Pesquisadores da West Virginia University desenvolveram um material com o potencial de reduzir drasticamente a quantidade de calor que as usinas liberam na atmosfera.

Uma equipe liderada por Xueyan Song, professor e presidente da cátedra George B. Berry de Engenharia da Faculdade de Engenharia e Recursos Minerais Benjamin M. Statler, criou um material cerâmico de óxido que resolve um problema de eficiência de longa data que afeta os geradores termoelétricos. Esses dispositivos podem gerar eletricidade a partir do calor, incluindo emissões de calor de usinas, que contribuem para o aquecimento global.

A inovadora cerâmica de óxido que a equipe de Song produziu “alcançou um desempenho recorde que era considerado impossível”, disse ela. “Demonstramos as melhores cerâmicas de óxido termoelétrico relatadas no campo em todo o mundo nos últimos 20 anos, e os resultados abrem novas direções de pesquisa que podem aumentar ainda mais o desempenho.”

Os pesquisadores Cesar Octavio Romo de la Cruz, Yun Chen, Liang Liang e Sergio A. Paredes Navia contribuíram para o estudo. As descobertas aparecem em Comentários sobre energia renovável e sustentável.

As cerâmicas de óxido são da mesma família de materiais como cerâmica, porcelana, tijolos de barro, cimento e silício, mas contêm vários elementos metálicos. Eles são duros, resistentes ao calor e à corrosão e adequados para aplicações de alta temperatura no ar. Eles podem servir como material para componentes de geradores termoelétricos.

No entanto, as cerâmicas de óxido possuem estruturas “policristalinas” compostas por múltiplos cristais conectados. Os engenheiros enfrentam problemas com aplicações termoelétricas em larga escala para esses materiais, já que os “limites de grão”, os locais onde esses cristais se encontram, bloqueiam a corrente e o fluxo de elétrons que alimentam os geradores termoelétricos.

A equipe de Song converteu aquela pedra de tropeço em um trampolim.

“Adicionamos intencionalmente ‘dopantes’, ou íons metálicos, à cerâmica de policristal, levando tipos especiais de dopantes a se segregarem nos limites dos grãos”, disse o pesquisador de pós-doutorado Romo de la Cruz. “Foi assim que transformamos os limites de grãos inevitáveis ​​e prejudiciais em caminhos condutores de eletricidade, melhorando significativamente o desempenho termoelétrico.”

A pesquisa responde ao crescente problema do calor residual, um fator que contribui para a mudança climática e subproduto da maioria das operações que convertem combustível em energia. Quando as lâmpadas ficam quentes ao toque, elas estão emitindo calor residual: energia extra ineficiente que não contribui para seu trabalho principal de produzir luz. O calor residual é liberado na atmosfera por sistemas tão diversos quanto usinas de energia, sistemas de aquecimento doméstico e automóveis, e é emitido o suficiente para que o mercado global de sistemas que o recuperam esteja projetado para exceder US$ 70 bilhões até 2026.

“O calor é usado para fazer quase tudo, desde comida até metais e eletricidade”, explicou Romo de la Cruz. “Mas durante esses processos, cerca de 60% da energia produzida é liberada de forma improdutiva para o meio ambiente na forma de calor. A recuperação de calor residual desempenhará um papel cada vez mais importante no equilíbrio da crescente demanda por eletricidade contra a pegada de carbono dos processos industriais. Óxido termoelétrico cerâmicas como a nossa entram em jogo melhorando substancialmente a capacidade dos geradores termoelétricos de converter o calor residual em eletricidade.”

Os geradores termoelétricos são uma tecnologia promissora para recuperação de calor residual, em parte porque são simples de operar e manter. Um poderoso gerador termoelétrico poderia capturar uma parte significativa do calor residual de uma usina.

Mas “para a maioria das aplicações, a tecnologia termoelétrica é muito ineficiente para ser econômica”, disse Song. “A falta de eficácia da termoelétrica na conversão de energia dificulta severamente o desenvolvimento de dispositivos termoelétricos, mesmo que sejam desesperadamente necessários.”

Seu laboratório resolveu esse problema usando engenharia de nanoestrutura – manipulando a estrutura cristalina da cerâmica em uma escala atômica que só pode ser vista usando um microscópio eletrônico – para criar um material policristalino denso e texturizado que superou os materiais monocristalinos atualmente padrão.

Embora ajustar o desempenho de vários materiais para termoelétricos tenha estimulado intenso trabalho teórico e experimental por décadas, Song acredita que, para cerâmicas de óxido a granel, seu laboratório é o primeiro a demonstrar um aumento significativo na eficiência da geração de energia a partir do calor por meio de nano e engenharia em escala atômica de contornos de grãos entre cristais.

“Este trabalho está no auge da recuperação de calor residual em alta temperatura e em larga escala”, disse ela. “Isso leva a uma nova era para a cerâmica de óxido e se alinha com a iniciativa Industrial Heat Shot do Departamento de Energia dos EUA para desenvolver tecnologias de descarbonização de calor industrial com custo competitivo com pelo menos 85% menos emissões de gases de efeito estufa até 2035. Nossas descobertas podem facilitar e acelerar os materiais projeto que é magnitudes maiores do que o atual estado da arte.”