Un material policristalino barato y f\u00e1cilmente disponible puede finalmente abrir la puerta a los generadores termoel\u00e9ctricos comerciales que convierten el calor residual en electricidad. Sin embargo, hay que resolver otros desaf\u00edos antes de que pueda poner en funcionamiento el motor y el tubo de escape de su autom\u00f3vil.<\/p>\n\n\n\n
Los seres humanos generan una gran cantidad de residuos y la energ\u00eda no es una excepci\u00f3n No es de extra\u00f1ar que los cient\u00edficos hayan tratado de minimizar esta p\u00e9rdida masiva de calor al m\u00e1ximo de sus capacidades. Parte de esta energ\u00eda que de otro modo se desperdiciar\u00eda se puede utilizar para calentar durante la estaci\u00f3n fr\u00eda, por ejemplo. Alternativamente, el calor residual se puede utilizar para cogenerar electricidad en una planta de energ\u00eda calentando agua para producir vapor que haga girar las turbinas. Pero lo ideal ser\u00eda convertir directamente el calor (movimiento descoordinado de las part\u00edculas en un material) en la electricidad m\u00e1s vers\u00e1til (onda de movimiento controlado de electrones). Aqu\u00ed es donde entra en juego la termoelectricidad.<\/p>\n\n\n\n El efecto termoel\u00e9ctrico surge cuando tienes dos semiconductores diferentes intercalados entre placas de metal y un lado est\u00e1 caliente, mientras que el otro est\u00e1 fr\u00edo. Un generador termoel\u00e9ctrico puede recolectar la energ\u00eda de esta diferencia de temperatura y convertirla en electricidad.<\/p>\n\n\n\n La nave espacial Voyager, que se cree que viaj\u00f3 m\u00e1s all\u00e1 de los l\u00edmites del sistema solar despu\u00e9s de visitar los planetas m\u00e1s externos en la d\u00e9cada de 1970, todav\u00eda funciona con dispositivos termoel\u00e9ctricos que generan electricidad a partir del calor producido por un reactor nuclear de plutonio. La misma energ\u00eda alimenta los rovers Curiosity y Perseverance operados por la NASA en Marte.<\/p>\n\n\n\n Este proceso tambi\u00e9n funciona a la inversa. Cuando se aplica electricidad, un semiconductor se calienta, mientras que el otro permanece fr\u00edo. El lado fr\u00edo puede funcionar as\u00ed como un refrigerador o un refrigerador.<\/p>\n\n\n\n El problema es que estos generadores termoel\u00e9ctricos son extremadamente ineficientes o costosos, lo que los ha reservado para aplicaciones muy espec\u00edficas como la aeroespacial. Adem\u00e1s, los materiales involucrados tienden a contener elementos t\u00f3xicos.<\/p>\n\n\n\n Cuando dos materiales de diferentes temperaturas est\u00e1n en contacto o lo suficientemente cerca, eventualmente alcanzar\u00e1n la misma temperatura. Cuando esto sucede, no hay m\u00e1s efecto termoel\u00e9ctrico. Dise\u00f1ar semiconductores que tengan una conductividad t\u00e9rmica baja pero que, sin embargo, transporten electricidad no es un desaf\u00edo de ingenier\u00eda trivial. Esto hace que los desarrollos recientes de los f\u00edsicos de la Universidad Nacional de Se\u00fal y la Universidad Northwestern sean a\u00fan m\u00e1s emocionantes.<\/p>\n\n\n\n Todo comenz\u00f3 en 2016 cuando un equipo de investigadores de Northwestern, dirigido por el cient\u00edfico de materiales Mercouri Kanatzidis, ide\u00f3 un generador termoel\u00e9ctrico que utiliza polvos de esta\u00f1o y selenio, dos materiales baratos y f\u00e1cilmente disponibles. Los polvos se procesaron en granos de seleniuro de esta\u00f1o policristalino que se pueden comprimir en finos lingotes de no m\u00e1s de 3 cent\u00edmetros de longitud, lo que los hace ideales para dispositivos.<\/p>\n\n\n\n Kanatzidis esperaba que los l\u00edmites entre los granos ralentizaran la transferencia de calor. Sin embargo, cuando los investigadores probaron el material, encontraron que la conductividad t\u00e9rmica era extremadamente alta, lo que lo convert\u00eda en un generador termoel\u00e9ctrico muy pobre.<\/p>\n\n\n\n Finalmente descubrieron el problema: se hab\u00eda formado una pel\u00edcula ultrafina de \u00f3xido de esta\u00f1o alrededor de los granos policristalinos antes de que tuvieran la oportunidad de ser comprimidos en lingotes. Esta pel\u00edcula permite que el calor se transfiera muy r\u00e1pidamente de un grano a otro.<\/p>\n\n\n\n En su nuevo estudio publicado esta semana en Nature Materials, Kanatzidis y sus colegas presentaron un nuevo m\u00e9todo que expulsa el ox\u00edgeno de los precursores de esta\u00f1o y selenio, dejando solo seleniuro de esta\u00f1o policristalino puro. El m\u00e9todo result\u00f3 exitoso, elevando la eficiencia termoel\u00e9ctrica del material policristalino casi tres veces. Sin embargo, un dispositivo termoel\u00e9ctrico en pleno funcionamiento requerir\u00e1 una innovaci\u00f3n adicional.<\/p>\n\n\n\n El material de seleniuro de esta\u00f1o solo conduce cargas positivas. Para completar un circuito, tambi\u00e9n necesita un antagonista de tipo n que conduzca cargas negativas. Afortunadamente, cient\u00edficos chinos de la Universidad de Beihang demostraron recientemente una contraparte de seleniuro de esta\u00f1o monocristalino de tipo n. Si los dos resultan coincidir, entonces las aplicaciones comerciales para la adopci\u00f3n a gran escala de generadores termoel\u00e9ctricos pueden estar a la vuelta de la esquina.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>Cuando una planta de energ\u00eda quema carb\u00f3n o un veh\u00edculo con motor de combusti\u00f3n interna enciende gasolina, la mayor parte de la energ\u00eda qu\u00edmica del combustible no se convierte en electricidad o trabajo \u00fatil, se convierte en calor. Una central el\u00e9ctrica estadounidense t\u00edpica, por ejemplo, solo convierte el 30% de la energ\u00eda del carb\u00f3n en electricidad neta. Y, en cierto sentido, su autom\u00f3vil es, ante todo, un horno sobre ruedas.<\/p>\n\n\n\n