Il processo termoelettrico è la conversione diretta del calore in elettricità e viceversa nel riscaldamento o nel raffreddamento di un oggetto. I materiali termoelettrici possono essere utilizzati per misurare le variazioni di temperatura, modificare la temperatura effettiva di un oggetto e generare una carica elettrica, che può essere utilizzata per generare energia. Nel 2011, i materiali termoelettrici erano troppo inefficienti per essere utili, ma gli ingegneri automobilistici stanno tentando di usarli per raccogliere l’energia termica sprecata da un veicolo e trasformarla in elettricità utilizzabile. I ricercatori stanno cercando di aumentare l’efficienza dei materiali termoelettrici per renderli più economici in modo che possano essere utilizzati per creare frigoriferi, condizionatori d’aria e altri dispositivi a basso costo e più efficienti che richiedono raffreddamento.
I processi termoelettrici si verificano a causa dell’effetto Peltier, che è il raffreddamento e il riscaldamento di giunzioni opposte nei circuiti elettrici contenenti semiconduttori dissimili. I materiali termoelettrici possono essere utilizzati per creare dispositivi di raffreddamento o per fornire refrigerazione. Uno dei materiali termoelettrici comuni utilizzati oggi è il tellururo di bismuto, un composto costoso che può costare fino a $ 1,000 dollari USA (USD)/lb ($ 2,000 USD/kg). Se adeguatamente preparato, questo materiale termoelettrico produce variazioni di temperatura affidabili ovunque tra 14 e 266 gradi F (da -10 a 130 gradi C). I sistemi termoelettrici funzionano in modo affidabile e preciso senza il rumore dei tradizionali sistemi di riscaldamento, raffreddamento e refrigerazione e senza clorofluorocarburi dannosi per l’ambiente (CFC).
Per diversi anni, la National Aeronautics and Space Administration (NASA) ha sfruttato la potenza dei materiali termoelettrici per alimentare le sonde spaziali nelle profondità dello spazio, così lontano dal sole che i pannelli solari sono inutili. Il processo prevede l’incorporamento di materiale nucleare in un generatore termico di radioisotopi, in cui il decadimento radiologico produce energia termica che viene poi convertita in elettricità per alimentare la sonda. Questo è lo stesso processo che gli ingegneri automobilistici stanno cercando di sfruttare dal calore di scarico dei motori delle auto, calore che può essere convertito in elettricità per alimentare l’auto.
La ricerca e lo sviluppo nei materiali termoelettrici è condotta dall’Energy Frontier Research Center presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT). Lì, ricercatori e scienziati hanno fatto alcune scoperte piuttosto significative, come l’accoppiamento di disordine termico e strutture elettroniche a una temperatura finita. Le sfide attuali in questo campo sono identificare o sintetizzare nuovi materiali, non ancora scoperti, con capacità termoelettriche più efficienti. I progressi in questo campo possono consentire lo sviluppo di materiali che generano elettricità dal calore di scarto, fornendo una soluzione energetica globale sostenibile.