Un material policristalino barato y fácilmente disponible puede finalmente abrir la puerta a los generadores termoeléctricos comerciales que convierten el calor residual en electricidad. Sin embargo, hay que resolver otros desafíos antes de que pueda poner en funcionamiento el motor y el tubo de escape de su automóvil.
Los seres humanos generan una gran cantidad de residuos y la energía no es una excepción
Cuando una planta de energía quema carbón o un vehículo con motor de combustión interna enciende gasolina, la mayor parte de la energía química del combustible no se convierte en electricidad o trabajo útil, se convierte en calor. Una central eléctrica estadounidense típica, por ejemplo, solo convierte el 30% de la energía del carbón en electricidad neta. Y, en cierto sentido, su automóvil es, ante todo, un horno sobre ruedas.
No es de extrañar que los científicos hayan tratado de minimizar esta pérdida masiva de calor al máximo de sus capacidades. Parte de esta energía que de otro modo se desperdiciaría se puede utilizar para calentar durante la estación fría, por ejemplo. Alternativamente, el calor residual se puede utilizar para cogenerar electricidad en una planta de energía calentando agua para producir vapor que haga girar las turbinas. Pero lo ideal sería convertir directamente el calor (movimiento descoordinado de las partículas en un material) en la electricidad más versátil (onda de movimiento controlado de electrones). Aquí es donde entra en juego la termoelectricidad.
El efecto termoeléctrico surge cuando tienes dos semiconductores diferentes intercalados entre placas de metal y un lado está caliente, mientras que el otro está frío. Un generador termoeléctrico puede recolectar la energía de esta diferencia de temperatura y convertirla en electricidad.
La nave espacial Voyager, que se cree que viajó más allá de los límites del sistema solar después de visitar los planetas más externos en la década de 1970, todavía funciona con dispositivos termoeléctricos que generan electricidad a partir del calor producido por un reactor nuclear de plutonio. La misma energía alimenta los rovers Curiosity y Perseverance operados por la NASA en Marte.
Este proceso también funciona a la inversa. Cuando se aplica electricidad, un semiconductor se calienta, mientras que el otro permanece frío. El lado frío puede funcionar así como un refrigerador o un refrigerador.
El problema es que estos generadores termoeléctricos son extremadamente ineficientes o costosos, lo que los ha reservado para aplicaciones muy específicas como la aeroespacial. Además, los materiales involucrados tienden a contener elementos tóxicos.
Cuando dos materiales de diferentes temperaturas están en contacto o lo suficientemente cerca, eventualmente alcanzarán la misma temperatura. Cuando esto sucede, no hay más efecto termoeléctrico. Diseñar semiconductores que tengan una conductividad térmica baja pero que, sin embargo, transporten electricidad no es un desafío de ingeniería trivial. Esto hace que los desarrollos recientes de los físicos de la Universidad Nacional de Seúl y la Universidad Northwestern sean aún más emocionantes.
Todo comenzó en 2016 cuando un equipo de investigadores de Northwestern, dirigido por el científico de materiales Mercouri Kanatzidis, ideó un generador termoeléctrico que utiliza polvos de estaño y selenio, dos materiales baratos y fácilmente disponibles. Los polvos se procesaron en granos de seleniuro de estaño policristalino que se pueden comprimir en finos lingotes de no más de 3 centímetros de longitud, lo que los hace ideales para dispositivos.
Kanatzidis esperaba que los límites entre los granos ralentizaran la transferencia de calor. Sin embargo, cuando los investigadores probaron el material, encontraron que la conductividad térmica era extremadamente alta, lo que lo convertía en un generador termoeléctrico muy pobre.
Finalmente descubrieron el problema: se había formado una película ultrafina de óxido de estaño alrededor de los granos policristalinos antes de que tuvieran la oportunidad de ser comprimidos en lingotes. Esta película permite que el calor se transfiera muy rápidamente de un grano a otro.
En su nuevo estudio publicado esta semana en Nature Materials, Kanatzidis y sus colegas presentaron un nuevo método que expulsa el oxígeno de los precursores de estaño y selenio, dejando solo seleniuro de estaño policristalino puro. El método resultó exitoso, elevando la eficiencia termoeléctrica del material policristalino casi tres veces. Sin embargo, un dispositivo termoeléctrico en pleno funcionamiento requerirá una innovación adicional.
El material de seleniuro de estaño solo conduce cargas positivas. Para completar un circuito, también necesita un antagonista de tipo n que conduzca cargas negativas. Afortunadamente, científicos chinos de la Universidad de Beihang demostraron recientemente una contraparte de seleniuro de estaño monocristalino de tipo n. Si los dos resultan coincidir, entonces las aplicaciones comerciales para la adopción a gran escala de generadores termoeléctricos pueden estar a la vuelta de la esquina.
Fuente: ZME Science.