L'encre thermoélectrique imprimable en 3D transforme les tuyaux d'échappement des voitures en générateurs d'électricité

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Une équipe de recherche de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST) en Corée a mis au point une encre thermoélectrique capable de produire des tubes générateurs d'énergie grâce à l'impression 3D.

Constitués de plomb (Pb) et de tellure (Te), les tubes générateurs d'électricité pourraient constituer la base de générateurs thermoélectriques performants capables de produire de l'électricité à partir de la chaleur résiduelle des gaz d'échappement industriels ou automobiles.

Les chercheurs pensent que leur développement offre un moyen prometteur d'améliorer l'efficacité énergétique des carburants et a tiré parti de l'impression 3D comme moyen de surmonter les défis associés aux méthodes conventionnelles de fabrication de matériaux thermoélectriques, tels qu'une flexibilité de conception limitée.

"Grâce à cette recherche, nous serons en mesure de convertir efficacement la chaleur générée par les cheminées d'usine, le type le plus courant de source de chaleur résiduelle, en électricité", a déclaré le professeur Jae Sung Son du Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'UNIST.

L'essor des technologies thermoélectriques

La demande mondiale d'énergie a considérablement augmenté ces derniers temps en raison de l'augmentation de la population mondiale et de l'amélioration du niveau de vie dans les pays en développement. Selon le document de recherche, plus de 80% de la consommation énergétique mondiale actuelle est rendue possible par des sources de combustibles fossiles, tandis que plus de la moitié de l'énergie thermique générée par la nature et les environnements créés par l'homme est simplement dissipée dans l'environnement environnant.

Pour résoudre ce problème, la production d'énergie thermoélectrique pourrait fournir une méthode fiable et plus respectueuse de l'environnement pour la récupération de la chaleur perdue. Les modules thermoélectriques devraient, selon les chercheurs, être conçus spécifiquement pour des systèmes individuels pour un transfert de chaleur efficace, tout en ayant un système simple et un faible coût de traitement. Cependant, les processus de fabrication typiques pour produire de tels modules ne répondent pas à ces exigences, en particulier pour les tuyaux d'échappement.

Cette prise de conscience a conduit l'équipe UNIST à se tourner vers l'impression 3D, sur laquelle ils ont conçu et produit avec succès des tubes thermoélectriques générateurs d'énergie à haute performance qui peuvent être personnalisés pour une intégration avec différents systèmes thermiques et pour permettre des ajustements géothermiques.

Générateurs d'énergie thermoélectrique d'impression 3D

Au cours de leur étude, l'équipe de l'UNIST a exploité un processus d'impression 3D basé sur l'extrusion pour les matériaux PbTe et a conçu un tube thermoélectrique générateur d'énergie avec des "jambes" PbTe personnalisées. Ils ont ensuite développé une encre PbTe sans impuretés avec une viscoélasticité pour la rendre adaptée à l'impression 3D, et ont induit de fortes charges de surface dans les particules à l'intérieur de l'encre via le "dopage électronique".

Les chercheurs ont imprimé en 3D l'encre PbTe dans des formes semblables à des tubes qui ont ensuite été assemblés pour former un tube thermoélectrique générateur d'énergie autonome. Selon les chercheurs, les propriétés thermoélectriques compétitives et l'imprimabilité des matériaux PbTe ont permis la conception de modules thermoélectriques imprimés en 3D de forme libre au-delà des limites des structures conventionnelles.

Les tubes ont démontré des performances thermoélectriques élevées à des températures comprises entre 400 et 800 degrés Celsius, soit la plage de température des gaz d'échappement d'une voiture. La forme du tube a également rendu le générateur thermoélectrique plus efficace pour collecter la chaleur qu'un type cuboïde conventionnel.

Les tubes thermoélectriques imprimés en 3D pourraient donc être utilisés directement comme tuyaux d'échappement à travers lesquels circulent des fluides chauds, selon l'équipe, et former la base d'une conception de type squelette d'un système de générateur thermoélectrique léger et simple. La conception fournirait le "moyen le plus efficace pour le transfert de chaleur" du flux de fluide à haute température à travers un tube vers un générateur thermoélectrique, car il n'y a pas de couches résistantes à la chaleur entre le fluide et les "jambes" thermoélectriques, comme un substrat en céramique dans un générateur thermoélectrique conventionnel en alliages ferreux.

L'équipe pense que leur approche offre un grand potentiel de traitement rentable pour concevoir des modules thermoélectriques personnalisables hautes performances, et afin d'industrialiser la technologie, elle cherchera à surmonter le problème de la corrosion causée par les gaz d'échappement. Le développement de technologies de revêtement anticorrosion pour les matériaux thermoélectriques contribuera à résoudre ce problème, et des travaux sont déjà en cours dans ce domaine.

"Si nous utilisons la technologie d'impression 3D dans la production de matériaux thermoélectriques, nous pourrons dépasser les limites des matériaux conventionnels", a déclaré le professeur Han Gi Chae du Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'UNIST. "La nouvelle technologie permettant de fournir des caractéristiques viscoélastiques aux matériaux imprimés en 3D sera utilisée dans divers autres secteurs."

De plus amples informations peuvent être trouvées dans l'étude intitulée : « Viscoélasticité induite par le dopage dans les encres thermoélectriques PbTe pour l'impression 3D de tubes générateurs d'énergie », publiée dans la revue Advanced Energy Materials. L'étude est co-écrite par J. Lee, S. Choo, H. Ju, J. Hong, S. Eun Yang, F. Kim, D. Hwi Gu, J. Jang, G. Kim, S. Ahn, J. Eun Lee, S. You Kim, H. Gi Chae et J. Sung Son.

Améliorer l'efficacité énergétique grâce à l'impression 3D

Les technologies d'impression 3D ont également été exploitées ailleurs pour réguler et améliorer l'efficacité thermique et électrique d'une gamme de composants industriels.

Par exemple, le spécialiste de la céramique CeramTec a testé les capacités de refroidissement de son nouveau module semi-conducteur de puissance axé sur la mobilité électrique, développé en partenariat avec Fraunhofer IISB, qui est conçu pour réguler thermiquement les onduleurs d'entraînement des véhicules électriques. Le module abriterait deux fois la résistance thermique des systèmes de gestion de la chaleur conventionnels tout en démontrant une surface de transfert de chaleur accrue.

Parallèlement, 3D Systems a été sélectionné par la société aérospatiale Raytheon Technologies et le CCDC du Army Research Laboratory pour développer des échangeurs de chaleur topologiquement optimisés pour l'armée américaine via la fabrication additive. Les partenaires concevront, fabriqueront et optimiseront un composant capable de maximiser le refroidissement et les performances du système de divers produits de modernisation de l'armée.

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L'image en vedette montre A) L'ensemble de la configuration de mesure et B) Le TEG monté avec un refroidisseur et connecté à l'électronique de mesure. Image via UNIST.

Hayley est journaliste technologique pour 3DPI et a une formation dans les publications B2B couvrant la fabrication, les outils et le cyclisme. Rédactrice d'actualités et de reportages, elle s'intéresse vivement aux technologies émergentes qui ont un impact sur le monde dans lequel nous vivons.