Un modello di calcolo per sistemi più efficienti dal punto di vista energetico

- EN- DE- FR- IT
 (Immagine: Pixabay CC0)
(Immagine: Pixabay CC0)
Gli scienziati dell’EPFL hanno fatto un passo avanti nel campo dei materiali termoelettrici per sfruttare meglio il calore residuo e produrre energia sostenibile.

Circa il 70% dell’energia consumata nella vita quotidiana viene sprecata sotto forma di calore, prodotto da motori, fabbriche ed elettrodomestici. Ma i ricercatori dell’EPFL hanno fatto un’importante scoperta che potrebbe portare alla produzione di energia sostenibile. Il lavoro di calcolo svolto dal Laboratorio di Teoria e Simulazione dei Materiali ( THEOS ) ha rivelato le teorie fondamentali alla base di una delle principali tecnologie utilizzate per migliorare l’efficienza della conversione termoelettrica. Questa scoperta apre la strada a una migliore selezione dei materiali e a processi di scoperta più rapidi ed economici. Pubblicata sulla rivista Physical Review Research, questa scoperta potrebbe contribuire a un’economia più verde e a un futuro più sostenibile.

I dispositivi termoelettrici fanno notizia perché offrono un potenziale promettente per convertire il calore di scarto in elettricità. Quando un materiale termoelettrico è sottoposto a una differenza di temperatura, ad esempio un lato è più caldo dell’altro, questo provoca un flusso di cariche all’interno del materiale, generando una corrente elettrica che può essere convertita in energia elettrica. Questa tecnologia sta diventando sempre più popolare per migliorare la sostenibilità di una serie di settori ad alta intensità energetica, dai trasporti alle centrali elettriche e alla produzione.

Tuttavia, l’ottimizzazione dell’efficienza di conversione termoelettrica si è rivelata difficile a causa della mancanza di teorie fondamentali sulla conduzione del calore nei materiali a bassa conducibilità termica. Per essere utile in un dispositivo termoelettrico, un materiale deve avere un basso trasferimento di calore, o conduttività termica, e un’alta conduttività elettrica. Maggiore è la differenza tra i due valori, più il materiale è adatto. Alcuni materiali sono noti per essere buoni candidati, ma gli scienziati dei materiali devono affidarsi a test costosi perché i principi fisici fondamentali sono finora sfuggiti alla comprensione.

È qui che entra in gioco la fisica computazionale. Utilizza simulazioni avanzate e tecniche di modellazione su potenti supercomputer per chiarire i principi fisici fondamentali che regolano il comportamento dei materiali termoelettrici e la conduzione del calore. "Rivelare i segreti teorici dei materiali termoelettrici ci avvicina a un futuro più verde e sostenibile", afferma Enrico Di Lucente, ricercatore di THEOS, in collaborazione con Michele Simoncelli, attualmente all’Università di Cambridge, e il professor Nicola Marzari, responsabile di THEOS e direttore del NCCR MARVEL.

Per svelare il mistero, il team di ricerca dell’EPFL ha esaminato una classe di cristalli noti come "skutteruditi". Queste hanno una struttura atomica unica simile a una gabbia e sono note per essere materiali promettenti per la conversione termoelettrica. L’efficienza termoelettrica aumenta quando alle loro gabbie atomiche vengono aggiunti altri atomi, detti "rattler". Utilizzando il nuovo modello sviluppato all’EPFL, i ricercatori hanno osservato l’attesa riduzione significativa del trasferimento di calore e hanno previsto il fenomeno con estrema precisione senza bisogno di dati empirici.

Questa importante scoperta scientifica sta nel fatto che il modello di calcolo porta alla luce anche un meccanismo quantistico inaspettato. "Per la prima volta, abbiamo scoperto che questi atomi che si agitano causano una transizione nel modo in cui il calore viene condotto all’interno dei cristalli, passando da una conduzione di tipo particellare a un tunneling di tipo ondulatorio", spiega Enrico Di Lucente. Il nuovo modello di calcolo apre la strada alla progettazione di nuovi materiali a bassissima conducibilità termica, senza la necessità di costosi test empirici, avvicinandoci notevolmente all’avvento di un’economia meno energivora.

Riferimenti

Riferimento: Enrico Di Lucente, Michele Simoncelli e Nicola Marzari, Crossover dal trasporto termico di Boltzmann a quello di Wigner nelle skutterudite termoelettriche. Physics Review Research (2023). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.00.003000