Transformer la chaleur en électricité avec de nouveaux matériaux
Voilà une découverte qui plaira assurément à Elon Musk. Imaginez pouvoir alimenter votre voiture en partie en utilisant la chaleur dégagée par le moteur. Ou si vous pouviez obtenir une partie de l’électricité de votre maison à partir de la chaleur produite par votre système de chauffage ? De tels scénarios économes en énergie pourraient un jour être possibles avec des améliorations dans les matériaux thermoélectriques – qui produisent spontanément de l’électricité quand un côté du matériau est chauffé.
Au cours des 60 dernières années, les scientifiques ont étudié un certain nombre de matériaux pour caractériser leur potentiel thermoélectrique, ou l’efficacité avec laquelle ils convertissent la chaleur en énergie. Mais à ce jour, la plupart de ces matériaux ont donné des rendements trop faibles pour une utilisation pratique généralisée.
Cinq fois plus efficace
Les physiciens du MIT ont maintenant trouvé un moyen d’augmenter considérablement le potentiel de la thermoélectricité de matériaux, avec une méthode théorique qu’ils ont rapportée dans Science Advances. Ce matériau qu’ils modélisent avec cette méthode est cinq fois plus efficace, et pourrait potentiellement générer deux fois plus d’énergie, comme les meilleurs matériaux thermoélectriques qui existent aujourd’hui.
« Si tout concourt à nos rêves les plus fous, alors soudainement, beaucoup de choses qui sont actuellement trop inefficaces deviendront plus efficaces », explique Brian Skinner, auteur principal au laboratoire de recherche en électronique du MIT. « Vous pourriez voir dans les voitures des petits récupérateurs thermoélectriques qui récupèreraient la chaleur perdue que votre moteur génère et l’utiliser pour recharger la batterie. Ou bien ces appareils pourraient être placés autour des centrales électriques de sorte que la chaleur qui était auparavant gaspillée par un réacteur nucléaire ou une centrale au charbon, serait maintenant récupérée et mise dans le réseau électrique.
Des électrons qui migrent à travers un matériau
La capacité d’un matériau à produire de l’énergie à partir de la chaleur est basée sur le comportement de ses électrons en présence d’une différence de températures. Quand un côté d’un matériau thermoélectrique est chauffé, il peut exciter des électrons pour sauter du côté chaud et s’accumuler du côté froid. L’accumulation résultante d’électrons peut créer une tension mesurable.
Les matériaux qui ont été explorés jusqu’ici ont généré très peu de puissance thermoélectrique, en partie parce que les électrons sont relativement difficiles à exciter thermiquement. Dans la plupart des matériaux, les électrons existent dans des bandes spécifiques, ou des gammes d’énergie. Chaque bande est séparée par un espace – une petite gamme d’énergie dans laquelle les électrons ne peuvent pas exister. Les électrons suffisamment énergiques pour traverser une bande interdite et migrer physiquement à travers un matériau ont été extrêmement difficiles à créer.
Le potentiel thermoélectrique
Skinner et Fu ont décidé d’analyser le potentiel thermoélectrique d’une famille de matériaux connue sous le nom de demi-éléments topologiques. Contrairement à la plupart des autres matériaux solides tels que les semi-conducteurs et les isolateurs, les demi-métaux topologiques sont uniques car unetelle configuration d’énergie, permet aux électrons de passer facilement à des bandes d’énergie plus élevées.
Les scientifiques avaient supposé que les demi-métaux topologiques, un type relativement nouveau de matériel largement synthétisé en laboratoire, ne généreraient pas beaucoup de puissance thermoélectrique. Lorsque le matériau est chauffé d’un côté, les électrons sont sous tension et s’accumulent à l’autre extrémité. Mais quand ces électrons chargés négativement sautent vers des bandes d’énergie plus élevées, ils laissent derrière eux ce qu’on appelle des « trous » – des particules de charge positive qui s’empilent également sur le côté froid du matériau, annulant l’effet des électrons et produisant très peu d’énergie.
Mais l’équipe n’était pas tout à fait prête à négliger ce matériel. Dans une recherche sans rapport, Skinner avait remarqué un effet curieux dans les semi-conducteurs exposés à un fort champ magnétique. Dans de telles conditions, le champ magnétique peut affecter le mouvement des électrons, en pliant leur trajectoire. Skinner et Fu se demandaient: quel genre d’effet un champ magnétique pourrait-il avoir dans les demi-tons topologiques ?
théoriser les performances thermoélectriques
Ils ont consulté la littérature et ont découvert qu’une équipe de l’Université de Princeton, en essayant de caractériser complètement un type de matériau topologique connu sous le nom de séléniure de plomb-étain, avait également mesuré ses propriétés thermoélectriques sous un champ magnétique en 2013. Parmi leurs nombreuses observations du matériau, les chercheurs avaient rapporté une augmentation de la génération thermoélectrique, sous un très fort champ magnétique de 35 teslas (la plupart des machines IRM, à titre de comparaison, fonctionnent autour de 2 à 3 tesla).
Skinner et Fu ont utilisé les propriétés du matériau de l’étude de Princeton pour modéliser théoriquement les performances thermoélectriques du matériau dans une gamme de conditions de températures et de champ magnétique.
« Nous avons finalement compris que sous un fort champ magnétique, une chose intéressante se produisait, où nous pouvions faire bouger les électrons et les trous dans des directions opposées », explique Skinner. « Les électrons vont vers le côté froid, et les trous vers le côté chaud. Ils fonctionnent ensemble et, en principe, vous pourriez obtenir une tension de plus en plus grande avec le même matériau en renforçant le champ magnétique. »
La puissance Tesla
Dans leur modélisation théorique, le groupe a calculé la ZT – qui est une unité de mesure d’induction magnétique – du plomb séléniure d’étain, une mesure qui vous indique à quel point votre matériau est proche de la limite théorique de production d’énergie à partir de la chaleur. Skinner et Fu ont découvert que, sous un fort champ magnétique d’environ 30 teslas, le séléniure d’étain-plomb peut avoir un ZT d’environ 10 à 5 fois plus efficace que les matériaux thermoélectriques les plus performants.
Ils calculèrent qu’un matériau avec un ZT égal à 10, s’il est chauffé à une température ambiante de 500 kelvins, ou 220 degrés Celsius, sous un champ magnétique de 30 teslas, devrait être capable de transformer 18% de cette chaleur en électricité, comparé à des matériaux avec un ZT égal à 2, qui ne pourrait convertir que 8% de cette chaleur en énergie.
Le groupe reconnaît que pour atteindre des rendements aussi élevés, les demi-métaux topologiques actuellement disponibles devraient être chauffés sous un champ magnétique extrêmement élevé qui ne pourrait être produit que par une poignée d’installations dans le monde. Pour que ces matériaux soient pratiques à utiliser dans les centrales électriques ou les automobiles, ils devraient fonctionner dans la plage de 1 à 2 teslas.
Plus efficace avec un semi-métal topologique propre
Fu explique que cela devrait être faisable si un semi-métal topologique était extrêmement propre, ce qui signifie qu’il y a très peu d’impuretés dans le matériau qui entraveraient le flux des électrons. «Rendre les matériaux très propres est très difficile, mais les gens ont consacré beaucoup d’efforts à la création de haute qualité de ces matériaux», explique Fu.
Il ajoute que le séléniure d’étain-plomb, le matériau sur lequel ils se sont concentrés dans leur étude, n’est pas le demi-métal topologique le plus propre que les scientifiques aient synthétisé. En d’autres termes, il peut y avoir d’autres matériaux plus propres qui peuvent générer la même quantité de puissance thermique avec un champ magnétique beaucoup plus faible.
« Nous pouvons voir que ce matériau est un bon matériau thermoélectrique, mais il devrait y en avoir de meilleurs », explique Fu. « Une approche consisterait à prendre le meilleur semi-métal topologique que nous avons maintenant, et appliquer un champ magnétique de 3 teslas. L’équipe a déposé un brevet pour leur nouvelle approche thermoélectrique et collabore avec des chercheurs de Princeton pour tester expérimentalement la théorie.
Cette recherche a été financée par le Centre de conversion de l’énergie solaire thermique à semi-conducteurs, un centre de recherche sur la frontière énergétique du Département de l’énergie des États-Unis et par le Bureau des sciences énergétiques de base du Département américain de l’énergie.
Source : MIT