.
A termoelétrica permite a conversão direta de calor em energia elétrica – e vice-versa. Isso os torna interessantes para uma variedade de aplicações tecnológicas. Na busca por materiais termoelétricos com as melhores propriedades possíveis, uma equipe de pesquisa da TU Wien investigou diversas ligas metálicas. Uma mistura de níquel e ouro revelou-se particularmente promissora. Os pesquisadores publicaram recentemente seus resultados na revista Avanços da Ciência.
Usar termelétricas para gerar eletricidade não é novidade. Desde meados do século XX, elas têm sido utilizadas para gerar energia elétrica na exploração espacial, mas as termoelétricas também são utilizadas em aplicações cotidianas, como refrigeradores portáteis. Além disso, também poderiam ser utilizados em ambientes industriais para converter calor residual em eletricidade verde, para citar apenas uma das aplicações potenciais.
Como funciona a termoeletricidade
O efeito termoelétrico baseia-se no movimento de partículas carregadas que migram do lado mais quente para o mais frio de um material. Isto resulta em uma tensão elétrica – a chamada tensão termoelétrica – que neutraliza o movimento termicamente excitado dos portadores de carga. A relação entre a tensão termoelétrica acumulada e a diferença de temperatura define o coeficiente de Seebeck, em homenagem ao físico alemão Thomas Johann Seebeck, que é um parâmetro importante para o desempenho termoelétrico de um material. O requisito importante aqui é que haja um desequilíbrio entre as cargas positivas e negativas, pois elas se compensam.
“Embora Seebeck tenha descoberto o efeito termoelétrico em metais comuns há mais de 200 anos, hoje em dia os metais dificilmente são considerados materiais termoelétricos porque geralmente têm um coeficiente de Seebeck muito baixo”, explica Fabian Garmroudi, primeiro autor do estudo. Por um lado, metais como cobre, prata ou ouro apresentam condutividade elétrica extremamente elevada; por outro lado, o seu coeficiente de Seebeck é extremamente pequeno na maioria dos casos.
Ligas de níquel-ouro com excelentes propriedades
Físicos do Instituto de Física do Estado Sólido (TU Wien) conseguiram agora encontrar ligas metálicas com alta condutividade e um coeficiente de Seebeck excepcionalmente grande. A mistura do metal magnético níquel com o metal nobre ouro altera radicalmente as propriedades eletrônicas. Assim que a cor amarelada do ouro desaparece quando são adicionados cerca de 10% de níquel, o desempenho termoelétrico aumenta rapidamente. A origem física do efeito Seebeck aprimorado está enraizada no comportamento de dispersão dependente da energia dos elétrons – um efeito fundamentalmente diferente da termoelétrica semicondutora. Devido às propriedades eletrônicas específicas dos átomos de níquel, as cargas positivas são dispersas mais fortemente do que as cargas negativas, resultando no desequilíbrio desejado e, portanto, em uma alta tensão termoelétrica.
“Imagine uma corrida entre dois corredores, onde uma pessoa corre em uma pista livre, mas a outra tem que passar por muitos obstáculos. Claro, quem está na pista livre avança mais rápido que o adversário, que tem que desacelerar e mudar. direção com muito mais frequência”, compara Andrej Pustogow, autor sênior do estudo, o fluxo de elétrons em termoelétricas metálicas. Nas ligas aqui estudadas, as cargas positivas são fortemente espalhadas pelos elétrons do níquel, enquanto as cargas negativas podem se mover praticamente sem serem perturbadas.
Material que quebrou recordes
A combinação de condutividade elétrica extremamente alta e simultaneamente um alto coeficiente de Seebeck leva a valores recordes de fator de potência termoelétrico em ligas de níquel-ouro, que excedem em muito os dos semicondutores convencionais. “Com a mesma geometria e gradiente de temperatura fixo, poderia ser gerada muitas vezes mais energia elétrica do que em qualquer outro material conhecido”, explica Fabian Garmroudi. Além disso, a alta densidade de potência poderá permitir aplicações diárias no setor de grande escala no futuro. “Já com o desempenho atual, os smartwatches, por exemplo, já poderiam ser carregados de forma autônoma usando o calor corporal do usuário”, dá como exemplo Andrej Pustogow.
Níquel-ouro é apenas o começo
“Mesmo que o ouro seja um elemento caro, nosso trabalho representa uma prova de conceito. Conseguimos mostrar que não apenas os semicondutores, mas também os metais podem apresentar boas propriedades termoelétricas que os tornam relevantes para diversas aplicações. As ligas metálicas têm várias vantagens sobre os semicondutores , principalmente no processo de fabricação de um gerador termoelétrico”, explica Michael Parzer, um dos principais autores do estudo.
O fato de os pesquisadores terem conseguido mostrar experimentalmente que as ligas de níquel-ouro são termoelétricas extremamente boas não é coincidência. “Antes mesmo de iniciarmos nosso trabalho experimental, calculamos com modelos teóricos quais ligas eram mais adequadas”, revela Michael Parzer. Atualmente, o grupo também está investigando outros candidatos promissores que não exigem o caro elemento ouro.
.
