Un nuovo sensore termico potrebbe aiutare a ridurre il th

Jul 25, 2023

Un sensore robusto ed economico può monitorare il flusso di calore nei dispositivi per migliorarne l’efficienza

Università di Tokio

immagine: La tecnica di produzione della deposizione sputtering roll-to-roll è ben consolidata e può creare pellicole attaccabili in grandi quantità da utilizzare in ambienti commerciali.vedere di più

Credito: ©2023 Tanaka et al. CC-BY-ND

Il calore in eccesso proveniente da dispositivi elettronici o meccanici è un segno o causa di prestazioni inefficienti. In molti casi, i sensori integrati per monitorare il flusso di calore potrebbero aiutare gli ingegneri a modificare il comportamento o i progetti dei dispositivi per migliorarne l’efficienza. Per la prima volta, i ricercatori sfruttano un nuovo fenomeno termoelettrico per costruire un sensore sottile in grado di visualizzare il flusso di calore in tempo reale. Il sensore potrebbe essere integrato all’interno di dispositivi dove altri tipi di sensori sono poco pratici. È anche veloce, economico e facile da produrre utilizzando metodi consolidati.

Secondo la legge di conservazione dell'energia, l'energia non si crea né si distrugge ma cambia solo forma l'una nell'altra a seconda dell'interazione tra le entità coinvolte. Tutta l’energia alla fine si trasforma in calore. Per noi può essere una cosa utile, ad esempio, quando vogliamo riscaldare la nostra casa in inverno; o dannoso, quando vogliamo rinfrescare qualcosa o ottenere il massimo da un'applicazione alimentata a batteria. In ogni caso, quanto meglio riusciamo a gestire il comportamento termico di un dispositivo, tanto meglio potremo aggirare questo inevitabile effetto e migliorare l’efficienza del dispositivo in questione. Tuttavia, questo è più facile a dirsi che a farsi, poiché sapere come scorre il calore all'interno di un dispositivo complesso, miniaturizzato o pericoloso è qualcosa che va dal difficile all'impossibile, a seconda dell'applicazione.

Ispirati da questo problema, il professore associato del progetto Tomoya Higo e il professor Satoru Nakatsuji del Dipartimento di fisica dell'Università di Tokyo e il loro team, che comprendeva una partnership aziendale, hanno deciso di trovare una soluzione. “La quantità di calore condotta attraverso un materiale è nota come flusso di calore. Trovare nuovi modi per misurarlo potrebbe non solo aiutare a migliorare l’efficienza del dispositivo, ma anche la sicurezza, poiché le batterie con una scarsa gestione termica possono essere pericolose, e anche la salute, poiché vari problemi di salute o stile di vita possono riguardare il calore corporeo”, ha affermato Higo. “Ma trovare una tecnologia di sensori per misurare il flusso di calore, che soddisfi anche una serie di altre condizioni, come robustezza, efficienza in termini di costi, facilità di produzione e così via, non è facile. I tipici dispositivi a diodi termici sono relativamente grandi e forniscono solo un valore della temperatura in un’area specifica, piuttosto che un’immagine, del flusso di calore attraverso un’intera superficie”.

Il team ha esplorato il modo in cui un sensore del flusso di calore costituito da determinati materiali magnetici ed elettrodi speciali si comporta quando sono presenti schemi complessi di flusso di calore. Il materiale magnetico a base di ferro e gallio presenta un fenomeno noto come effetto Nernst anomalo (ANE), in cui l'energia termica viene insolitamente convertita in un segnale elettrico. Questo però non è l’unico effetto magnetico che può trasformare il calore in energia. Esiste anche l'effetto Seebeck, che può effettivamente creare più energia elettrica, ma richiede una grande quantità di materiale, e i materiali sono fragili e difficili da lavorare. ANE, d'altro canto, ha permesso al team di progettare il proprio dispositivo su un foglio di plastica incredibilmente sottile e malleabile.

“Trovando i giusti materiali magnetici ed elettrodici e poi applicandoli in uno speciale schema ripetitivo, abbiamo creato circuiti elettronici microscopici che sono flessibili, robusti, economici e facili da produrre, e soprattutto sono molto bravi a fornire dati sul flusso di calore in tempo reale. tempo”, ha detto Higo. “Il nostro metodo prevede di arrotolare un sottile foglio di plastica PET trasparente, resistente e leggera come strato di base, su cui vengono spruzzati materiali magnetici ed elettrodici in strati sottili e coerenti. Quindi incidiamo i modelli desiderati nella pellicola risultante, in modo simile a come vengono realizzati i circuiti elettronici.