Impressão 3D melhora eficiência de materiais termoelétricos

De acordo com a Pohang University of Science and Technology (POSTECH), pesquisadores revelaram 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, usando impressão 3D. Diferentemente 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.

Pesquisadores da POSTECH e da Universidade George Washington usam impressão 3D para melhorar a eficiência de materiais termoelétricos.
Fonte:(https://www.voxelmatters.com)

O presidente Lee Kwang-bok, da National Research Foundation of Korea, 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 impressão 3D. Este novo design melhora significativamente a eficiência da geração de energia.

A tecnologia termoelétrica 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 – 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.

Pesquisadores da POSTECH e da Universidade George Washington usam impressão 3D para melhorar a eficiência de materiais termoelétricos.
Representação esquemática do aumento da eficiência em geradores termoelétricos por meio do design geométrico e da indução de defeitos em microcamadas em materiais impressos em 3D. [A Figura al mostra as oito geometrias diferentes projetadas neste estudo e a otimização dos processos de impressão 3D e tratamento térmico para criar defeitos de deslocamento de alta densidade. [A Figura b] ilustra a figura de mérito termoelétrica (2T) como uma função da temperatura do tratamento térmico, mostrando um aumento para 2,0 quando tratada a 1233 K. [A Figura c) exibe a eficiência de geração de energia das oito geometrias termoelétricas diferentes. As linhas pontilhadas representam os dados simulados, enquanto os pontos indicam a eficiência real medida. Fonte:(https://www.voxelmatters.com)

Por meio deste estudo, a equipe de pesquisa conjunta mostrou 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 medir 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.

Os processos avançados de impressão 3D da equipe de pesquisa são 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 supostamente 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.

“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”, disse o professor Jae Sung Son.

Esta conquista, apoiada pelo Programa de Pesquisadores em 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 on-line no periódico internacional Nature Energy. Para saber mais sobre a pesquisa acesse o site.

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Marcus Figueiredo

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