Cientistas criam o material termoelétrico mais eficiente do mundo

Cientistas da Universidade Northwestern, de Illinois, nos Estados Unidos, e da Universidade Nacional de Seul, na Coreia do Sul, criaram o material termoelétrico mais eficiente já registrado. O seleneto de estanho purificado na forma policristalina tem alto desempenho e pode ser utilizado no desenvolvimento de dispositivos de alta performance. O material supera qualquer outro na conversão de calor em eletricidade.

Os pesquisadores conseguiram atingir a alta taxa de conversão depois de identificar e remover um problema de oxidação que tinha diminuído o desempenho do material em estudos anteriores. O artigo foi publicado hoje na revista científica Nature Materials .

A geração de energia de forma eficiente é uma preocupação urgente para a preservação do meio ambiente e da vida na Terra. Estudos apontam que não há muito tempo para nos tornarmos uma civilização do tipo 1 na Escala de Kardashev, ou seja, que aproveita 100% da energia acessível em seu próprio planeta.

Policristal de seleneto de estanho em formato de pellet. Material possui performance termoelétrica nunca vista antes

O novo material é um progresso no caminho para a eficiência energética, em um momento em que a produção de energia sofre com escassez de recursos e a queima de combustíveis fósseis agrava as mudanças climáticas.

Nesse contexto, o policristal de seleneto de estanho é muito bem-vindo, pois é considerado uma solução ecológica. Atualmente, ele é utilizado no rover Perseverance, da NASA, que está colhendo material em Marte. Ali, a fonte de calor é a decomposição radioativa do plutônio, e a eficiência de conversão do dispositivo presente na sonda é de 4 a 5%.

Por aqui, o policristal de seleneto de estanho pode alcançar uma eficiência bem maior se utilizado em dispositivos termoelétricos. A aplicação é possível em uma variedade de indústrias e pode gerar uma economia de energia potencialmente enorme.

Aplicações do novo material

Uma das principais possibilidades de uso do seleneto de estanho é na captura de calor residual industrial, como o produzido em usinas de energia, indústrias automobilísticas e em fábricas. Após capturar esse calor, o policristal pode convertê-lo em eletricidade.

Esses dispositivos termoelétricos estão em uso apenas em aplicações de nicho, como é o caso do Mars rover, mas seu potencial vai muito além. Com o desenvolvimento de um material de baixo custo e alto desempenho, sua aplicação na geração de energia deve ser cada vez mais difundida. Atualmente, mais de 65% da energia produzida a partir de combustíveis fósseis globalmente é perdida como calor residual.

As áreas com potencial de aplicação para o novo material termoelétrico incluem a indústria automobilística (pense na quantidade significativa de energia potencial que sai do tubo de escape de um veículo), indústrias de manufatura pesada (como fabricação de vidro e tijolo, refinarias, usinas movidas a carvão e gás) e locais onde grandes motores de combustão operam continuamente (como grandes navios e petroleiros).

Como materiais termoelétricos funcionam

O que faz um dispositivo termoelétrico funcionar bem ou não é o seu interior. Um lado dele é quente e o outro é frio. O material termoelétrico fica no meio e o calor flui por ele. Parte desse calor é convertida em eletricidade e sai do dispositivo através de fios.

O material precisa ter uma condutividade térmica extremamente baixa, ao mesmo tempo em que é capaz de manter uma boa condutividade elétrica para ser eficiente na conversão de calor residual. 

Como as fontes de calor utilizadas podem chegar a 500 ºC, o material precisa ser estável em temperaturas muito altas. Esse e outros desafios tornam os dispositivos termoelétricos mais difíceis de serem produzidos do que células solares. Com o seleneto de estanho purificado, no entanto, o problema parece ter sido finalmente resolvido.

ARTIGO Nature Materials: doi.org/10.1038/s41563-021-01064-6