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Modelo computacional abre caminho para sistemas energéticos mais eficientes

Fonte

EPFL | Escola Politécnica Federal de Lausanne

Data

segunda-feira, 28 agosto 2023 17:05

Áreas

Energia. Engenharia de Energia. Materiais. Simulação Computacional. Sustentabilidade. Tecnologias.

Cerca de 70% da energia utilizada no dia a dia é desperdiçada na forma de calor, produzido por motores, fábricas e dispositivos elétricos. No entanto, pesquisadores da Escola de Engenharia da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça, deram um passo teórico significativo que poderá impulsionar a geração de energia sustentável.

O trabalho computacional de pesquisadores do Laboratório de Teoria e Simulação de Materiais (THEOS) da EPFL desvendou teorias fundamentais por trás de uma das principais tecnologias utilizadas para aumentar a eficiência da conversão termoelétrica, abrindo caminho para uma melhor seleção de materiais e processos mais rápidos e econômicos. O avanço, publicado na revista científica Physical Review Research, tem o potencial de contribuir para uma economia mais verde e um futuro mais sustentável.

Os dispositivos termoelétricos são um tema atual, pois oferecem o potencial promissor de converter o calor residual em eletricidade sustentável. Quando há uma diferença de temperatura em um material termoelétrico, onde um lado é mais quente que o outro, isso provoca um fluxo de cargas dentro do material, gerando uma corrente elétrica que pode ser convertida novamente em energia elétrica. Esta tecnologia é cada vez mais procurada para melhorar a sustentabilidade de várias indústrias com utilização intensiva de energia, desde transportes até centrais elétricas e a indústria de transformação.

No entanto, maximizar a eficiência da conversão termoelétrica tem se mostrado um desafio devido à falta de teorias subjacentes de condução de calor em materiais com baixa condutividade térmica. Para que um material seja útil em um dispositivo termoelétrico, ele precisa ter baixa transferência de calor, ou condutividade térmica, e alta condutividade elétrica. Quanto maior a diferença entre os dois, mais adequado é o material. Alguns materiais são conhecidos por serem bons candidatos, mas os cientistas de materiais devem realizar testes dispendiosos, uma vez que os princípios físicos subjacentes permanecem indefinidos.

É aqui que entra a física computacional, empregando simulações avançadas e técnicas de modelagem em supercomputadores poderosos para desvendar os princípios físicos fundamentais que regem o comportamento e a condução de calor dos materiais termoelétricos. “Desvendar os segredos teóricos dos materiais termoelétricos nos aproxima um passo de um futuro mais verde e sustentável”, disse Enrico Di Lucente, doutorando do THEOS, em colaboração com o Dr. Michele Simoncelli, agora na Universidade de Cambridge, e o professor Dr. Nicola Marzari, chefe do THEOS.

Para desvendar o mistério, a pesquisa da equipe da EPFL se concentrou em uma classe de cristais conhecidos como skutterudites, que possuem uma estrutura atômica única em forma de gaiola e são conhecidos por serem materiais promissores para conversão termoelétrica. Eles aumentam sua eficiência termoelétrica quando átomos suplementares são adicionados às suas gaiolas atômicas. Com o novo modelo desenvolvido na EPFL, os pesquisadores observaram a esperada redução significativa na transferência de calor e previram o fenômeno com extrema precisão, sem a necessidade de quaisquer dados empíricos.

O maior avanço científico vem de como o modelo computacional também lança luz sobre um mecanismo quântico inesperado em ação. “Descobrimos, pela primeira vez, que esses átomos agitados causam uma transição na forma como o calor é conduzido dentro dos cristais, passando de uma condução semelhante a uma partícula para um túnel semelhante a uma onda”, disse Enrico Di Lucente. O novo modelo computacional abre portas para a concepção de novos materiais com condutividade térmica ultrabaixa, sem a necessidade de ensaios empíricos dispendiosos, o que pode ser um passo importante da criação de uma economia mais eficiente em termos energéticos.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Escola Politécnica Federal de Lausanne (em inglês).

Fonte: Michael David Mitchell, EPFL. Imagem: skutterudite. Fonte: Robert Lavinsky via Wikimedia Commons.