Les matériaux thermoélectriques,   qui stockent de la chaleur, peuvent aussi grâce à certains traitements, produire de l’électricité. Des scientifiques de l’EPFL ont accompli une avancée dans le domaine des matériaux thermoélectriques afin de mieux utiliser la chaleur résiduelle pour produire de l’énergie durable. Le texte qui suit, est quasiment le texte rédigé par Michael David Mitchell, du service de communication de l’école lausannoise.

En raison de loi de la thermodynamique, qui expliquer les rendements en matière d’énergie, environ 70% de l’énergie consommée dans  nos société est gaspillée sous forme de chaleur, produite par les moteurs, les usines et les appareils électriques. Des chercheuses et chercheurs de l’EPFL ont  cependant fait une découverte majeure qui favoriserait la production d’énergie « durable ».

Les travaux de calcul réalisés par le Laboratoire de théorie et simulation des matériaux (THEOS) ont révélé les théories fondamentales à l’origine de l’une des principales technologies utilisées pour améliorer le rendement de conversion thermoélectrique. Cette découverte ouvre ainsi la voie à une meilleure sélection des matériaux et à des processus de découverte plus rapides et plus économiques. Publiée dans la revue Physical Review Research, cette avancée pourrait contribuer à une économie plus écologique et à un avenir plus durable.

Les dispositifs thermoélectriques  offrent un potentiel prometteur pour convertir la chaleur résiduelle des machines thermiques ( moteur à explosion d’une voiture) en électricité.  Dans un matériau thermoélectrique soumis à une différence de température, une face plus chaude que l’autre, qui provoque un flux de charges à l’intérieur du matériau. Ce flux produit un courant électrique qui peut être reconverti en énergie électrique. Cette technologie est de plus en plus prisée pour améliorer la durabilité de diverses industries énergivores, des transports aux centrales électriques en passant par l’industrie manufacturière.

Conductivité thermique et conductivité électrique

Mais l’optimisation du rendement de conversion thermoélectrique est difficile faute de théories fondamentales sur la conduction de la chaleur dans les matériaux à faible conductivité thermique. Pour qu’un matériau soit utile dans un dispositif thermoélectrique, il doit avoir un faible transfert de chaleur, ou conductivité thermique, et une conductivité électrique élevée. Plus la différence entre les deux conductivité est importante, plus le matériau est adapté. Certains matériaux sont reconnus pour ces propriétés, mais les spécialistes doivent s’appuyer sur des tests coûteux, car les principes physiques fondamentaux ont jusqu’à présent échappé à la compréhension.

Or,  la physique computationnelle permet des simulations avancées et des techniques de modélisation sur de puissants superordinateurs pour élucider les principes physiques fondamentaux régissant le comportement des matériaux thermoélectriques et la conduction de la chaleur. «La révélation des secrets théoriques des matériaux thermoélectriques nous rapproche d’un avenir plus écologique et plus durable», confie Enrico Di Lucente, chercheur au THEOS, en collaboration avec Michele Simoncelli, actuellement à l’Université de Cambridge, et le professeur Nicola Marzari, responsable du THEOS et directeur du PRN MARVEL.

L’équipe de recherche de l’EPFL s’est penchée la classe des cristaux «skuttérudites» qui ont une structure atomique unique en forme de cage et sont connues pour être des matériaux prometteurs pour la conversion thermoélectrique. Leur rendement thermoélectrique augmentent lorsque des atomes supplémentaires, nommés «rattlers», sont ajoutés à leurs cages atomiques. Grâce au nouveau modèle mis au point à l’EPFL, les chercheuses et chercheurs ont constaté la réduction significative attendue du transfert de chaleur et ont prédit le phénomène avec une extrême précision sans avoir besoin de données empiriques.

Cette découverte  majeure réside dans le fait que le modèle de calcul met également en lumière un mécanisme quantique inattendu. «Pour la première fois, nous avons découvert que ces atomes rattlers provoquent une transition dans la manière dont la chaleur est conduite à l’intérieur des cristaux, passant d’une conduction de type particulaire à un effet tunnel de type ondulatoire», explique Enrico Di Lucente. Le nouveau modèle de calcul ouvre la voie à la conception de nouveaux matériaux présentant une conductivité thermique ultrafaible sans qu’il soit nécessaire de procéder à des tests empiriques coûteux, ce qui nous rapproche considérablement de l’avènement d’une économie moins consommatrice d’énergie.

Cette recherche a été soutenue par le pôle de recherche national PRN MARVEL et financée par le Fonds national suisse de la recherche scientifique, subvention n°205602 et subvention n°CR-SII5 189924 (projet «Hydronics»).

Référence: Enrico Di Lucente, Michele Simoncelli, and Nicola Marzari, Crossover from Boltzmann to Wigner thermal transport in thermoelectric skutterudites. Physics Review Research (2023). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.00.003000

Auteur: