Le calcul quantique aide à découvrir des matériaux qui transforment la chaleur perdue en électricité

Le besoin de transition vers une énergie propre est évident, urgent et incontournable. Nous devons limiter la hausse de la température de la Terre à moins de 1,5 °C pour éviter les pires effets du changement climatique – un défi particulièrement redoutable face à la demande mondiale d'énergie en constante augmentation.

Une partie de la réponse consiste à utiliser l'énergie plus efficacement. Plus de 72 % de toute l'énergie produite dans le monde est perdue sous forme de chaleur . Par exemple, le moteur d'une voiture n'utilise qu'environ 30 pour cent de l'essence qu'il brûle pour déplacer la voiture . Le reste est dissipé sous forme de chaleur.

Récupérer ne serait-ce qu'une infime fraction de cette énergie perdue aurait un impact énorme sur le changement climatique. Les matériaux thermoélectriques, qui convertissent la chaleur perdue en électricité utile, peuvent aider.

Jusqu'à récemment, l'identification de ces matériaux était lente. Mes collègues et moi avons utilisé des calculs quantiques – une approche de modélisation informatique pour prédire les propriétés des matériaux – pour accélérer ce processus et identifier plus de 500 matériaux thermoélectriques qui pourraient convertir l'excès de chaleur en électricité et contribuer à améliorer l'efficacité énergétique.

Faire de grands progrès vers de larges applications

La transformation de la chaleur en énergie électrique par des matériaux thermoélectriques est basée sur «l'effet Seebeck». En 1826, le physicien allemand Thomas Johann Seebeck a observé que l'exposition des extrémités de pièces jointes de métaux différents à différentes températures générait un champ magnétiquequi a été reconnu plus tard comme étant causé par un courant électrique.

Peu de temps après sa découverte, des générateurs thermoélectriques métalliques ont été fabriqués pour convertir la chaleur des brûleurs à gaz en un courant électrique . Mais, il s'est avéré que les métaux ne présentent qu'un faible effet Seebeck – ils ne sont pas très efficaces pour convertir la chaleur en électricité.

En 1929, le scientifique russe Abraham Ioffe a révolutionné le domaine de la thermoélectricité. Il a observé que les semi-conducteurs – des matériaux dont la capacité à conduire l'électricité se situe entre celle des métaux (comme le cuivre) et les isolants (comme le verre) – présentent un effet Seebeck nettement plus élevé que les métaux, multipliant par 40 l'efficacité thermoélectrique, de 0,1% à quatre pour cent.

Cette découverte a conduit au développement du premier générateur thermoélectrique largement utilisé, la lampe russe – une lampe à pétrole qui chauffait un matériau thermoélectrique pour alimenter une radio.[19659005]En sommes-nous encore là ?

Aujourd'hui, les applications thermoélectriques vont de la production d'énergie dans les sondes spatiales aux dispositifs de refroidissement dans les réfrigérateurs portables. Par exemple, les explorations spatiales sont alimentées par des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes, convertissant la chaleur du plutonium en décomposition naturelle en électricité . Dans le film Le Martien, par exemple, une boîte de plutonium a sauvé la vie du personnage joué par Matt Damon, en le gardant au chaud sur Mars.

Malgré cette grande diversité d'applications, la commercialisation à grande échelle des matériaux thermoélectriques est toujours limitée par leur faible efficacité.

Qu'est-ce qui les retient ? Deux facteurs clés doivent être pris en compte : les propriétés conductrices des matériaux, et leur capacité à maintenir une différence de température, ce qui permet de générer de l'électricité.

Le meilleur matériau thermoélectrique aurait les propriétés électroniques des semi-conducteurs et la mauvaise conduction thermique. de verre. Mais cette combinaison unique de propriétés ne se trouve pas dans les matériaux naturels. Nous devons les concevoir.

À la recherche d'une aiguille dans une botte de foin

Au cours de la dernière décennie, de nouvelles stratégies pour concevoir des matériaux thermoélectriques ont vu le jour grâce à une meilleure compréhension de leur physique sous-jacente. Dans une étude récente dans Nature Materialsdes chercheurs de l'Université nationale de Séoul, de l'Université d'Aix-la-Chapelle et de l'Université Northwestern ont déclaré avoir conçu un matériau appelé séléniure d'étain avec les performances thermoélectriques les plus élevées à ce jour, près du double de celles de 20 il y a des années. Mais il leur a fallu près d'une décennie pour l'optimiser.

Pour accélérer le processus de découverte, mes collègues et moi avons utilisé des calculs quantiques pour rechercher de nouveaux candidats thermoélectriques à haut rendement. Nous avons effectué des recherches dans une base de données contenant des milliers de matériaux pour rechercher ceux qui auraient des qualités électroniques élevées et de faibles niveaux de conduction thermique, en fonction de leurs propriétés chimiques et physiques. Ces informations nous ont aidés à trouver les meilleurs matériaux à synthétiser et à tester, et à calculer leur efficacité thermoélectrique.

Nous sommes presque au point où les matériaux thermoélectriques peuvent être largement appliqués, mais nous devons d'abord développer des matériaux beaucoup plus efficaces. Avec autant de possibilités et de variables, trouver la voie à suivre, c'est comme chercher une petite aiguille dans une énorme botte de foin. matériaux. De tels calculs peuvent prédire avec précision la conduction électronique et thermique (y compris l'effet Seebeck) pour des milliers de matériaux et dévoiler les interactions auparavant cachées et très complexes entre ces propriétés qui peuvent influencer l'efficacité d'un matériau.

Grand- les applications à grande échelle nécessiteront des matériaux thermoélectriques peu coûteux, non toxiques et abondants. Le plomb et le tellure sont présents dans les matériaux thermoélectriques d'aujourd'hui, mais leur coût et leur impact environnemental négatif en font de bonnes cibles de remplacement.

Les calculs quantiques peuvent être appliqués de manière à rechercher des ensembles spécifiques de matériaux en utilisant des paramètres tels que la rareté, le coût et Efficacité. Bien que ces calculs puissent révéler des matériaux thermoélectriques optimaux, la synthèse des matériaux avec les propriétés souhaitées reste un défi.

Un effort multi-institutionnel impliquant des laboratoires gouvernementaux et des universités aux États-Unis, au Canada et en Europe a révélé plus de 500 matériaux auparavant inexplorés avec une efficacité thermoélectrique prédite élevée. Mes collègues et moi étudions actuellement les performances thermoélectriques de ces matériaux dans le cadre d'expériences et avons déjà découvert de nouvelles sources d'efficacité thermoélectrique élevée.

Ces premiers résultats suggèrent fortement que d'autres calculs quantiques peuvent identifier les combinaisons de matériaux les plus efficaces pour rendre propre l'énergie de la chaleur gaspillée et d'éviter la catastrophe qui plane sur notre planète. and Chemical Biology, McMaster Universityest republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article d'origine.