jogo do laboratório WVU

Oct 02, 2023

Os pesquisadores da WVU Sergio Andres Paredes Navia, Cesar Octavio Romo de la Cruz, Liang Liang e Ellena Gemmen usam um microscópio eletrônico para estudar a nanoestrutura de um novo material cerâmico de óxido com potencial para tornar geradores termoelétricos eficientes o suficiente para capturar uma parte significativa dos resíduos calor que sistemas industriais como usinas de energia emitem. (foto enviada)

Pesquisadores da West Virginia University desenvolveram um material com o potencial de reduzir drasticamente a quantidade de calor que as usinas liberam na atmosfera.

Uma equipe liderada por Xueyan Song, professor e presidente da cátedra George B. Berry de Engenharia da Faculdade de Engenharia e Recursos Minerais Benjamin M. Statler, criou um material cerâmico de óxido que resolve um problema de eficiência de longa data que afeta os geradores termoelétricos. Esses dispositivos podem gerar eletricidade a partir do calor, incluindo emissões de calor de usinas, que contribuem para o aquecimento global.

A inovadora cerâmica de óxido que a equipe de Song produziu "alcançou um desempenho recorde que era considerado impossível", disse ela. "Demonstramos as melhores cerâmicas de óxido termoelétrico relatadas no campo em todo o mundo nos últimos 20 anos, e os resultados abrem novas direções de pesquisa que podem aumentar ainda mais o desempenho."

Cesar Octavio Romo de la Cruz, Yun Chen, Liang Liang e Sergio A. Paredes Navia contribuíram para o estudo, apoiados por $ 639.784 em financiamento da National Science Foundation. As descobertas aparecem na Renewable and Sustainable Energy Reviews.

As cerâmicas de óxido são da mesma família de materiais como cerâmica, porcelana, tijolos de barro, cimento e silício, mas contêm vários elementos metálicos. Eles são duros, resistentes ao calor e à corrosão e adequados para aplicações de alta temperatura no ar. Eles podem servir como material para componentes de geradores termoelétricos.

No entanto, as cerâmicas de óxido possuem estruturas "policristalinas" compostas por múltiplos cristais conectados. Os engenheiros enfrentam problemas com aplicações termoelétricas em larga escala para esses materiais, já que os "limites de grão", os locais onde esses cristais se encontram, bloqueiam a corrente e o fluxo de elétrons que alimentam os geradores termoelétricos.

A equipe de Song converteu aquela pedra de tropeço em um trampolim.

"Adicionamos intencionalmente 'dopantes', ou íons metálicos, à cerâmica de policristal, levando tipos especiais de dopantes a se segregarem nos limites dos grãos", disse o pesquisador de pós-doutorado Romo de la Cruz. "Foi assim que transformamos os limites de grãos inevitáveis ​​e prejudiciais em caminhos condutores de eletricidade, melhorando significativamente o desempenho termoelétrico."

A pesquisa responde ao crescente problema do calor residual, um fator que contribui para a mudança climática e subproduto da maioria das operações que convertem combustível em energia. Quando as lâmpadas ficam quentes ao toque, elas estão emitindo calor residual: energia extra ineficiente que não contribui para seu trabalho principal de produzir luz. O calor residual é liberado na atmosfera por sistemas tão diversos quanto usinas de energia, sistemas de aquecimento doméstico e automóveis, e é emitido o suficiente para que o mercado global de sistemas que o recuperam esteja projetado para exceder US$ 70 bilhões até 2026.

"O calor é usado para fazer quase tudo, desde comida até metais e eletricidade", explicou Romo de la Cruz. "Mas durante esses processos, cerca de 60% da energia produzida é liberada de forma improdutiva para o meio ambiente na forma de calor. A recuperação de calor residual desempenhará um papel cada vez mais importante no equilíbrio da crescente demanda por eletricidade contra a pegada de carbono dos processos industriais. Óxido termoelétrico cerâmicas como a nossa entram em jogo melhorando substancialmente a capacidade dos geradores termoelétricos de converter o calor residual em eletricidade."

Os geradores termoelétricos são uma tecnologia promissora para recuperação de calor residual, em parte porque são simples de operar e manter. Um poderoso gerador termoelétrico poderia capturar uma parte significativa do calor residual de uma usina.