Una nuova scoperta nel settore della termoelettricità promette di ottenere più elettricità verde e di cambiare le quotazioni dei metalli

I ricercatori dell’Università di Tecnologia di Vienna hanno scoperto eccellenti proprietà termoelettriche delle leghe di nichel-oro. Questi possono essere utilizzati per convertire in modo efficiente il calore in energia elettrica, evitando complessi sistemi a turbine. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances.

La tecnologia termoelettrica consente la conversione diretta del calore in energia elettrica – e viceversa. Ciò li rende interessanti per una vasta gamma di applicazioni tecnologiche. Alla ricerca di materiali termoelettrici con le migliori proprietà possibili, un gruppo di ricerca della TU Wien ha studiato diverse leghe metalliche. Una miscela di nichel e oro si è rivelata particolarmente promettente.

Usare la termoelettrica per generare elettricità non è una novità. Dalla metà del XX secolo vengono utilizzati per generare energia elettrica nell’esplorazione spaziale, ma i materiali termoelettrici vengono utilizzati anche in applicazioni quotidiane come i frigoriferi portatili. Inoltre, potrebbero essere utilizzati anche in ambienti industriali per convertire il calore di scarto in elettricità verde, per citare solo una delle potenziali applicazioni.

Come funziona la termoelettricità

L’effetto termoelettrico si basa sul movimento di particelle cariche che migrano dal lato più caldo a quello più freddo di un materiale. Ciò si traduce in una tensione elettrica – la cosiddetta tensione termoelettrica – che contrasta il movimento eccitato termicamente dei portatori di carica. Il rapporto tra la tensione termoelettrica accumulata e la differenza di temperatura definisce il coefficiente di Seebeck, dal nome del fisico tedesco Thomas Johann Seebeck, che è un parametro importante per le prestazioni termoelettriche di un materiale. Il requisito importante qui è che vi sia uno squilibrio tra le cariche positive e negative, poiché si compensano a vicenda.

“Sebbene Seebeck abbia scoperto l’effetto termoelettrico nei metalli comuni più di 200 anni fa, oggigiorno i metalli difficilmente sono considerati materiali termoelettrici perché di solito hanno un coefficiente di Seebeck molto basso”, ha spiegato Fabian Garmroudi, primo autore dello studio. Da un lato, metalli come rame, argento o oro hanno una conduttività elettrica estremamente elevata; d’altra parte, il loro coefficiente di Seebeck è nella maggior parte dei casi estremamente piccolo.

Leghe nichel-oro dalle eccezionali proprietà

I fisici dell’Istituto di fisica dello stato solido (TU Vienna) sono riusciti ora a trovare leghe metalliche con elevata conduttività e un coefficiente di Seebeck eccezionalmente elevato. La miscelazione del metallo magnetico nichel con il metallo nobile oro modifica radicalmente le proprietà elettroniche. Non appena il colore giallastro dell’oro scompare quando viene aggiunto circa il 10% di nichel, la prestazione termoelettrica aumenta rapidamente. L’origine fisica dell’effetto Seebeck potenziato è radicata nel comportamento di diffusione degli elettroni dipendente dall’energia – un effetto fondamentalmente diverso da quello termoelettrico dei semiconduttori. A causa delle particolari proprietà elettroniche degli atomi di nichel, le cariche positive vengono disperse più fortemente delle cariche negative, determinando lo squilibrio desiderato e quindi un’elevata tensione termoelettrica.

“Immaginiamo una gara tra due corridori, in cui una persona corre su una pista libera, ma l’altra persona deve superare molti ostacoli. Naturalmente, chi si trova sulla pista libera avanza più velocemente dell’avversario, che deve rallentare e cambiare direzione molto più spesso”, ha paragonato Andrej Pustogow, autore senior dello studio sul flusso di elettroni nella termoelettrica metallica. Nelle leghe qui studiate le cariche positive vengono fortemente disperse dagli elettroni del nichel, mentre le cariche negative possono muoversi praticamente indisturbate.

Materiale da record

La combinazione di una conduttività elettrica estremamente elevata e contemporaneamente di un elevato coefficiente di Seebeck porta a valori record del fattore di potenza termoelettrico nelle leghe di nichel-oro, che superano di gran lunga quelli dei semiconduttori convenzionali. “Con la stessa geometria e il gradiente di temperatura fisso, si potrebbe generare una quantità di energia elettrica molte volte maggiore rispetto a qualsiasi altro materiale conosciuto”. Questa energia potrebbe essere la risulta dello sfruttamento di calore che altrimenti andrebbe disperso e difficile da utilizzare.

L’utilizzo di un materiale come l’oro inoltre, se diffuso su larga scala, potrebbe portare anche ad un aumento nel prezzo dell’oro, soprattutto nel suo prezzo minimo, perchè ne aumenterebbe la domanda come materiale industriale. Nello stesso tempo l’alto prezzo del metallo èè una limitazione al suo uso.