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Foi revelada uma tecnologia inovadora que melhora a eficiência de materiais termoelétricos, que são essenciais na conversão de calor residual em eletricidade, alterando sua geometria para se assemelhar a uma ampulheta. Ao contrário de pesquisas anteriores que dependiam apenas das propriedades materiais de substâncias termoelétricas, espera-se que essa nova abordagem tenha aplicações generalizadas na geração de energia termoelétrica.
A National Research Foundation of Korea (Presidente Lee Kwang-bok) anunciou que uma equipe de pesquisa conjunta, liderada pelo Professor Jae Sung Son da POSTECH e Saniya LeBlanc da George Washington University, desenvolveu com sucesso uma nova geometria para materiais termoelétricos — anteriormente confinados a formas cuboides — por meio de design geométrico e processos de impressão 3D. Este novo design melhora significativamente a eficiência da geração de energia.
A tecnologia termoelétrica, como o nome sugere, é uma tecnologia que converte calor em eletricidade. Ela está ganhando atenção como uma fonte de energia renovável sustentável porque pode converter calor gerado por fábricas, motores de carros ou até mesmo calor do corpo humano em eletricidade. Materiais termoelétricos, que são centrais para a tecnologia termoelétrica, são tipicamente feitos de materiais semicondutores termoelétricos sólidos. Até agora, a pesquisa sobre geradores termoelétricos tem se concentrado em melhorar as propriedades inerentes do material termoelétrico (ZT). No entanto, apesar das melhorias no ZT, a eficiência dos geradores termoelétricos não atingiu um nível prático para o uso diário, necessitando de uma nova abordagem além de apenas melhorar as propriedades do material.
A equipe de pesquisa conjunta demonstrou por meio deste estudo que simplesmente mudar a geometria e a composição de materiais termoelétricos pode maximizar a eficiência da geração de energia. Ao simular oito estruturas geométricas diferentes, incluindo o formato cuboide tradicional e o formato de ampulheta, e medindo a eficiência de geração de energia de cada uma, a equipe confirmou que a ampulheta superou consistentemente as outras em todas as condições de geração de energia. A equipe de pesquisa avançou ainda mais os processos de impressão 3D capazes de produzir materiais termoelétricos de formato complexo, criando defeitos em microcamadas de alta densidade dentro do material para minimizar a condutividade térmica e aumentar o índice de desempenho termoelétrico (ZT) para 2,0. Este é o maior valor alcançado para materiais termoelétricos produzidos por meio de impressão 3D.
Com base nesses experimentos, a equipe fabricou geradores termoelétricos usando oito estruturas diferentes e mediu sua eficiência, descobrindo que o gerador em formato de ampulheta era aproximadamente 3,6 vezes mais eficiente do que o gerador tradicional de base retangular.
O professor Jae Sung Son declarou: “Esta pesquisa é a primeira instância em que a eficiência foi melhorada pela geometria tridimensional do material que controlava o transporte térmico e elétrico, em vez da pesquisa convencional focada em microestrutura em materiais termoelétricos. Espera-se que esta abordagem possa ser aplicada universalmente a todos os materiais termoelétricos e também possa ser utilizada em tecnologias de resfriamento termoelétrico.”
Esta conquista, apoiada pelo Programa de Pesquisadores de Meio de Carreira e pelo Programa de Desenvolvimento de Tecnologia de Nano e Materiais do Ministério da Ciência e TIC e da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia, foi publicada online no periódico internacional Energia da Natureza em 19 de julho.
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