L'inchiostro termoelettrico stampabile in 3D trasforma i tubi di scarico delle auto in generatori di energia

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Un gruppo di ricerca dell’Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Corea ha sviluppato un inchiostro termoelettrico in grado di produrre tubi generatori di energia utilizzando la stampa 3D.

Costituiti da piombo (Pb) e tellurio (Te), i tubi generatori di energia potrebbero costituire la base di generatori termoelettrici ad alte prestazioni in grado di generare elettricità dal calore di scarto dei gas di scarico industriali o delle automobili.

I ricercatori ritengono che il loro sviluppo offra un mezzo promettente per migliorare l’efficienza energetica del carburante e hanno sfruttato la stampa 3D come mezzo per superare le sfide associate ai metodi convenzionali di produzione di materiali termoelettrici, come la flessibilità di progettazione limitata.

"Attraverso questa ricerca, saremo in grado di convertire efficacemente il calore generato dai camini delle fabbriche, il tipo più comune di fonte di calore di scarto, in elettricità", ha affermato il professor Jae Sung Son del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'UNIST.

L’ascesa delle tecnologie termoelettriche

La domanda globale di energia è aumentata in modo significativo negli ultimi tempi a causa dell’aumento della popolazione mondiale e del miglioramento del tenore di vita nei paesi in via di sviluppo. Secondo il documento di ricerca, oltre l’80% dell’attuale consumo energetico globale è reso possibile da fonti di combustibili fossili, mentre oltre la metà dell’energia termica generata dalla natura e dagli ambienti creati dall’uomo viene semplicemente dissipata nell’ambiente circostante.

Per risolvere questo problema, la generazione di energia termoelettrica potrebbe fornire un metodo affidabile e più rispettoso dell’ambiente per il recupero del calore di scarto. I moduli termoelettrici, dicono i ricercatori, dovrebbero essere progettati specificatamente per sistemi individuali per un efficiente trasferimento di calore, pur avendo un sistema semplice e bassi costi di elaborazione. Tuttavia, i tipici processi di produzione per produrre tali moduli non soddisfano questi requisiti, soprattutto per i tubi di scarico.

Questa consapevolezza ha portato il team UNIST a dedicarsi alla stampa 3D, sulla quale hanno progettato e prodotto con successo tubi termoelettrici per la generazione di energia ad alte prestazioni che possono essere personalizzati per l’integrazione con diversi sistemi termici e per consentire regolazioni geotermiche.

Generatori di energia termoelettrica stampati in 3D

Durante lo studio, il team dell’UNIST ha sfruttato un processo di stampa 3D basato sull’estrusione per materiali PbTe e ha progettato un tubo termoelettrico per la generazione di energia con “gambe” PbTe personalizzate. Hanno quindi sviluppato un inchiostro PbTe privo di impurità con viscoelasticità per renderlo adatto alla stampa 3D e hanno indotto forti cariche superficiali nelle particelle all’interno dell’inchiostro tramite “doping elettronico”.

I ricercatori hanno stampato in 3D l’inchiostro PbTe in forme tubolari che sono state poi assemblate per formare un tubo termoelettrico autosufficiente che genera energia. Secondo i ricercatori, le proprietà termoelettriche competitive e la stampabilità dei materiali PbTe hanno consentito la progettazione di moduli termoelettrici stampati in 3D a forma libera oltre i limiti delle strutture convenzionali.

I tubi hanno dimostrato elevate prestazioni termoelettriche a temperature comprese tra 400 e 800 gradi Celsius, che è l'intervallo di temperatura dei gas di scarico di un'auto. La forma del tubo rendeva inoltre il generatore termoelettrico più efficace nella raccolta del calore rispetto a un tipo cuboide convenzionale.

I tubi termoelettrici stampati in 3D potrebbero quindi essere utilizzati direttamente come tubi di scarico attraverso i quali scorrono i fluidi caldi, afferma il team, e costituire la base di un progetto a scheletro di un sistema generatore termoelettrico leggero e semplice. Secondo quanto riferito, il progetto fornisce il "mezzo più efficace per il trasferimento di calore" dal flusso di fluido ad alta temperatura attraverso un tubo a un generatore termoelettrico, poiché non ci sono strati resistenti al calore tra il fluido e le "gambe" termoelettriche, come un substrato ceramico in un generatore termoelettrico convenzionale realizzato con leghe ferrose.