Tinta termoelétrica imprimível em 3D transforma canos de escapamento de carros em geradores de energia

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Uma equipe de pesquisa do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST), na Coréia, desenvolveu uma tinta termoelétrica capaz de produzir tubos geradores de energia usando impressão 3D.

Compostos de chumbo (Pb) e telúrio (Te), os tubos geradores de energia poderiam formar a base de geradores termoelétricos de alto desempenho capazes de gerar eletricidade a partir do calor residual de gases industriais ou de escapamento de automóveis.

Os pesquisadores acreditam que seu desenvolvimento oferece um meio promissor de aumentar a eficiência energética do combustível e alavancar a impressão 3D como um meio de superar os desafios associados aos métodos convencionais de fabricação de materiais termoelétricos, como a flexibilidade limitada do projeto.

"Através desta pesquisa, seremos capazes de converter efetivamente o calor gerado pelas chaminés das fábricas, o tipo mais comum de fonte de calor residual, em eletricidade", disse o professor Jae Sung Son, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UNIST.

A ascensão das tecnologias termoelétricas

A demanda global de energia aumentou significativamente nos últimos tempos devido ao aumento da população global e à melhoria dos padrões de vida nos países em desenvolvimento. De acordo com o trabalho de pesquisa, mais de 80% do atual consumo global de energia é possibilitado por fontes de combustível fóssil, enquanto mais da metade da energia térmica gerada pela natureza e pelos ambientes criados pelo homem é simplesmente dissipada no ambiente circundante.

Para resolver isso, a geração de energia termoelétrica pode fornecer um método confiável e mais ecológico para a recuperação de calor residual. Os módulos termoelétricos devem, dizem os pesquisadores, ser projetados especificamente para sistemas individuais de transferência de calor eficiente, ao mesmo tempo em que possuem um sistema simples e baixo custo de processamento. No entanto, os processos de fabricação típicos para produzir tais módulos não atendem a esses requisitos, especialmente para tubos de escape.

Essa percepção levou a equipe UNIST a recorrer à impressão 3D, na qual projetaram e produziram com sucesso tubos termoelétricos geradores de energia de alto desempenho que podem ser personalizados para integração com diferentes sistemas térmicos e para permitir ajustes geotérmicos.

Geradores termoelétricos de impressão 3D

Durante o estudo, a equipe do UNIST aproveitou um processo de impressão 3D baseado em extrusão para materiais de PbTe e projetou um tubo termoelétrico gerador de energia com 'pernas' de PbTe personalizadas. Eles então desenvolveram uma tinta de PbTe livre de impurezas com viscoelasticidade para torná-la adequada para impressão 3D e induziram fortes cargas de superfície nas partículas dentro da tinta por meio de 'dopagem eletrônica'.

Os pesquisadores imprimiram em 3D a tinta PbTe em formas semelhantes a tubos, que foram então montadas para formar um tubo termoelétrico gerador de energia autossustentável. De acordo com os pesquisadores, as propriedades termoelétricas competitivas e a capacidade de impressão dos materiais PbTe permitiram o design de módulos termoelétricos impressos em 3D de forma livre além das limitações das estruturas convencionais.

Os tubos demonstraram alto desempenho termoelétrico em temperaturas entre 400 e 800 graus Celsius, que é a faixa de temperatura dos gases de escapamento de um carro. A forma do tubo também tornou o gerador termoelétrico mais eficaz na coleta de calor do que um tipo cubóide convencional.

Os tubos termoelétricos impressos em 3D podem, portanto, ser utilizados diretamente como tubos de escape através dos quais fluem fluidos quentes, afirma a equipe, e formam a base de um projeto tipo esqueleto de um sistema gerador termoelétrico leve e simples. O projeto supostamente fornece os "meios mais eficazes para transferência de calor" do fluxo de fluido de alta temperatura através de um tubo para um gerador termoelétrico, pois não há camadas resistentes ao calor entre o fluido e as 'pernas' termoelétricas, como um substrato cerâmico em um gerador termoelétrico convencional feito de ligas ferrosas.