Sopra: Immagine al microscopio a scansione elettronica del materiale. Sotto: Ogni sfera rappresenta un atomo di silicio della maglia nanometrica. Le bande colorate mostrano le differenze di temperatura sul materiale: la banda rossa rappresenta la zona più calda, quella blu la zona più fredda.

Tutto ciò che abbiamo intorno (il computer, una lampadina, noi stessi…) produce calore. Il calore è energia in movimento: energia che viene sprecata. Con un dispositivo termoelettrico, che converte il calore in elettricità e viceversa, è possibile sfruttare l’energia che altrimenti andrebbe perduta. Gli odierni dispositivi non sono però abbastanza efficienti e sono realizzati con materiali rari (quindi costosi) e dannosi per l’ambiente.

I ricercatori del Caltech (California Institute of Technology) hanno recentemente realizzato nuovi materiali che possono incrementare l’efficienza dei dispositivi termoelettrici. Sono riusciti a dimostrare l’incremento di prestazioni utilizzando il silicio, ma affermano che le nuove tecnologie sviluppate possono migliorare le prestazioni anche di altri materiali.

Una differenza di temperatura tra due punti ha come conseguenza l’instaurarsi di un flusso di energia termica dal punto caldo al punto freddo fino al raggiungimento dell’equilibrio termico. Questo flusso di calore può essere sfruttato per raccogliere energia riutilizzabile. Il processo di estrazione dell’energia dallo scambio di calore è governato dalle leggi della termodinamica. Per questo motivo, la massima efficienza (il rapporto tra il lavoro utile estratto e il calore in ingresso) è rappresentata dal limite di Carnot, che è molto basso se lo scambio di calore avviene tra punti con piccola differenza di temperatura. Il limite di Carnot rappresenta il limite massimo teorico, ma i dispositivi reali di conversione lavorano molto al di sotto di questo limite. Di conseguenza, a causa della bassa efficienza, è necessaria una grande quantità di calore trasferita per raccogliere una quantità di energia che, ad esempio, sia sufficiente per alimentare piccoli dispositivi elettronici.

L’utilizzo di TEG (ThermoElectric Generetor) non è né nuovo né recente: basti pensare che sono da tempo largamente impiegati per il recupero di energia da sorgenti termiche radioattive nei satelliti spaziali. I TEG hanno recentemente destato rinnovato interesse per la generazione di energia per dispositivi elettronici e sensori, tra gli altri, in campo automotive. Gli attuali sforzi della ricerca sono finalizzati a ottimizzare l’efficienza di conversione attraverso il miglioramento delle proprietà dei materiali. A questo fine è necessario garantire alta conducibilità elettrica, per abbassare la resistenza interna, e contemporaneamente bassa conducibilità termica, per mantenere il gradiente termico più alto possibile. Gli ultimi due requisiti sono tipicamente inconciliabili nei materiali tradizionali che, se sono dei buoni conduttori elettrici, sono anche buoni conduttori termici. Di recente sono stati sperimentati materiali nanostrutturati che mirano a raddoppiare l’efficienza rispetto ai dispositivi realizzati con materiali tradizionali.

Come detto in precedenza, i materiali con buone caratteristiche di conducibilità sono contemporaneamente buoni conduttori sia di elettricità che di calore. L’idea degli scienziati del Caltech, guidati dal professore di chimica James Heath, è stata quella di separare la relazione tra conducibilità termica ed elettrica, progettando un nuovo materiale in silicio su scala nanometrica. In realtà il silicio è un cattivo materiale termoelettrico a temperatura ambiente, ma i ricercatori sono riusciti a ridurre in modo significativo la conducibilità termica dei fili nanometrici di silicio senza ridurre in modo apprezzabile la loro conducibilità elettrica.

La struttura nanometrica a maglia (nanomesh), costituita da fili di silicio allineati verticalmente, permette di rallentare i fononi, ovvero i pacchetti quantizzati di vibrazioni che causano il trasferimento di energia termica da un punto all’altro del materiale. La principale conseguenza del rallentamento dei fononi, dimostrata da successivi esperimenti, è che la conducibilità termica del nuovo materiale diventa 10 volte minore rispetto a quella degli altri dispositivi termoelettrici in silicio realizzati precedentemente, mentre il valore della conducibilità elettrica rimane pressoché costante.

I generatori di potenza termoelettrica presentano il vantaggio di poter essere interamente realizzati con dispositivi a stato solido (quindi senza parti meccaniche di movimento), che assicurano una lunga durata (circa 20 anni) ed elevata affidabilità. Sono inoltre insensibili ad interferenze elettromagnetiche, non dipendono da vibrazioni e tollerano anche le condizioni ambientali più estreme. Questi numerosi vantaggi li rendono molto interessanti nei più disparati ambiti applicativi.