Thermoélectricité

La thermoélectricité convertit une différence de température directement en tension électrique — sans turbine, sans piston, sans une seule pièce mobile. Elle est ainsi la technique la plus ancienne et la mieux attestée de cette famille de procédés à laquelle appartient aussi la neutrinovoltaïque : du courant à partir de ce qui est là de toute façon.

L'effet Seebeck

C'est Thomas Johann Seebeck qui découvrit le processus fondamental en 1821. Si l'on relie deux conducteurs différents en un circuit et que l'on maintient les deux points de jonction à des températures différentes, un courant circule.

La raison est parlante : du côté chaud, les porteurs de charge ont plus d'énergie cinétique et migrent vers le côté froid. Ils s'y accumulent, et une tension apparaît. Sa grandeur est décrite par le coefficient Seebeck du matériau, mesuré en microvolts par kelvin.

Le chemin inverse fonctionne également : si l'on y fait passer du courant, un côté devient froid. C'est l'effet Peltier, qu'utilise chaque petite glacière.

Le facteur de mérite ZT

La mesure dans laquelle un matériau convient à la thermoélectricité se résume en un seul nombre sans dimension :

ZT = S²σT / κ

S y désigne le coefficient Seebeck, σ la conductivité électrique, κ la conductivité thermique et T la température.

Cette formule fait voir le problème central de la discipline. Il faut un matériau qui conduise bien le courant, mais mal la chaleur — et dans la plupart des substances les deux conductivités vont de pair, parce que ce sont les mêmes électrons qui sont responsables des deux. La discipline cherche depuis des décennies des matériaux qui brisent ce couplage.

Le tellurure de bismuth, le classique pour la température ambiante, atteint un ZT autour de 1. Cela correspond à des rendements d'environ 5 à 8 pour cent. Des valeurs de laboratoire supérieures à 2 ont été atteintes, mais rarement stables et rarement bon marché.

Où elle est en usage

Malgré son rendement modeste, la thermoélectricité est imbattable partout où la fiabilité prime sur tout :

Vol spatial. Les batteries à radionucléides des sondes Voyager travaillent depuis 1977 — le plutonium 238 fournit la chaleur, des thermocouples en font du courant. Les rovers martiens Curiosity et Perseverance utilisent la même construction et tirent d'environ 2 000 watts de chaleur quelque 110 watts électriques.

Chaleur perdue. Les fours industriels, les moteurs et les lignes d'échappement dégagent de la chaleur qui serait sinon perdue.

Petits capteurs. Là où une largeur de main de différence de température suffit à alimenter un module radio, il n'est plus besoin de batterie.

Distinction d'avec la neutrinovoltaïque

La thermoélectricité exige impérativement un gradient. Sans un côté chaud et un côté froid, aucun courant ne circule — un composant qui a partout la même température ne fournit rien, si chaud soit-il. Ce n'est pas une insuffisance technique, mais le deuxième principe de la thermodynamique.

La neutrinovoltaïque nomme les fluctuations thermiques comme l'un de plusieurs canaux d'entrée, mais ne mise pas sur un gradient macroscopique, plutôt sur des processus dans le réseau lui-même. Le raccord à la recherche se fait ici avec les travaux de Paul Thibado sur la rectification des mouvements thermiques dans le graphène autoporté — l'effet de cliquet.

La thermoélectricité est ainsi la meilleure preuve que l'idée de base tient : la conversion directe sans pièces mobiles fonctionne, elle est connue depuis deux siècles et vole depuis un demi-siècle à travers le système solaire. La question n'est pas de savoir si l'on peut obtenir de l'énergie de cette manière, mais à partir de quelle source et dans quelle mesure.

Termes apparentés

• Récupération d'énergie — le domaine dans son ensemble
• Effet de cliquet — rectification du mouvement thermique
• Bêtavoltaïque — du courant à partir de la désintégration bêta
• Thermophotovoltaïque — la chaleur par le détour de la lumière

Sources

• T. J. Seebeck : Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperaturdifferenz, Abhandlungen der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, 1822/23.
• NASA : Radioisotope Power Systems — fiches techniques du MMRTG et du RTG de Voyager.