Thermoélectricité : de la chaleur à l'électricité
Conversion d'énergie grâce au désordre
Des chercheurs de l'Université technique de Vienne ont mis au point un nouveau concept permettant de convertir plus efficacement l'énergie thermique en énergie électrique. Les pertes d'énergie peuvent ainsi être minimisées.
Image thermique d'un générateur thermoélectrique en action.
TU Wien
Une grande partie de la chaleur se perd lors de la conversion de l'énergie. On estime même qu'elle est supérieure à 70 %. Cependant, dans les matériaux thermoélectriques, tels que ceux étudiés à l'Institut de physique des solides de la TU Wien, la chaleur peut être convertie directement en énergie électrique. Cet effet (effet Seebeck) peut être utilisé dans de nombreuses applications dans l'industrie mais aussi dans la vie quotidienne.
Récemment, l'équipe de recherche d'Ernst Bauer a fait une découverte passionnante concernant un matériau thermoélectrique composé de fer, de vanadium et d'aluminium (Fe2VAl). Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la célèbre revue "Nature Communications".
Le thermoélectrique idéal
Pour obtenir le meilleur effet de conversion énergétique possible, les chercheurs recherchent des matériaux qui répondent à un certain nombre de caractéristiques : Ils doivent présenter un effet Seebeck important, une conductivité électrique élevée et une faible conductivité thermique. Cependant, cela est extrêmement difficile car ces propriétés sont liées et interdépendantes. Les chercheurs se sont donc demandé à quoi devrait ressembler physiquement un matériau qui remplirait toutes ces conditions de la meilleure façon possible.
Ainsi, les physiciens de la TU Wien ont réussi à trouver un nouveau concept pour résoudre cette contradiction et optimiser toutes les propriétés thermoélectriques dans un seul matériau en même temps. "Lors de la transition dite d'Anderson, une transition de phase quantique entre les états localisés et mobiles des électrons, les conditions du thermoélectrique idéal sont réunies. Cela signifie que tous les électrons de conduction ont approximativement la même énergie", rapporte Fabian Garmroudi, premier auteur de l'étude.
La transition d'Anderson se produit dans les semi-conducteurs lorsque des atomes d'impureté sont ajoutés, liant fortement leurs électrons. "Par analogie avec les banquises dans la mer, celles-ci sont initialement isolées les unes des autres et on ne peut pas marcher dessus. Cependant, si le nombre de banquises est suffisamment important, on obtient une connexion continue par laquelle on peut traverser la mer", compare Fabian Garmroudi. Cela se produit de manière similaire dans les solides : si le nombre d'atomes d'impureté dépasse une valeur critique, les électrons peuvent soudainement se déplacer librement d'un atome à l'autre et l'électricité peut circuler.
Les atomes changent de place quand il fait chaud
La transition d'Anderson a été démontrée en étroite collaboration avec des chercheurs de Suède et du Japon ainsi que de l'université de Vienne, et a été liée pour la première fois à un changement significatif des propriétés thermoélectriques. L'équipe a fait cette découverte passionnante en chauffant le matériau à des températures très élevées, proches du point de fusion.
"À haute température, les atomes vibrent si fortement qu'ils échangent occasionnellement leurs positions dans le réseau. Par exemple, des atomes de fer sont alors situés là où se trouvaient auparavant des atomes de vanadium. Nous avons réussi à geler cette 'confusion atomique', qui se produit à haute température, par ce que l'on appelle le 'quenching', c'est-à-dire un refroidissement rapide dans un bain d'eau", rapporte Ernst Bauer. Ces défauts irréguliers servent exactement le même objectif que les atomes d'impureté mentionnés précédemment, sans qu'il soit nécessaire de modifier la composition chimique du matériau.
Conversion d'énergie grâce au désordre
Dans de nombreux domaines de recherche de la physique des solides, on s'intéresse aux matériaux aussi purs que possible et présentant une structure cristalline idéale. La raison : la régularité des atomes simplifie la description théorique des propriétés physiques. Or, dans le cas du Fe2VAl, ce sont précisément les imperfections qui expliquent la majeure partie des performances thermoélectriques. Il a également déjà été démontré dans des disciplines voisines que les irrégularités peuvent être avantageuses : "La recherche fondamentale sur les matériaux quantiques en est un bon exemple. La recherche fondamentale sur les matériaux quantiques en est un bon exemple. La science y a déjà pu montrer que le désordre est souvent l'épice nécessaire dans la 'soupe quantique'", explique Andrej Pustogow, l'un des coauteurs, et rapporte : "Maintenant, ce concept est également arrivé dans la recherche appliquée sur l'état solide."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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