El equipo de investigación del Dr. Hyekyoung Choi y Min Ju Yun, del Centro de Investigación de Materiales de Conversión de Energía del Instituto de Investigación Electrotecnológica de Corea (KERI), ha desarrollado una tecnología que puede aumentar la flexibilidad y eficiencia de un generador termoeléctrico hasta el nivel más alto del mundo mediante el uso de «metamateriales mecánicos» que no existen en la naturaleza.
En general, un material se contrae en sentido vertical cuando se estira en sentido horizontal. Es como cuando se aprieta una pelota de goma, se aplana lateralmente, y cuando se tira de una goma elástica, se estira con fuerza.
La cantidad de elongación transversal dividida por la cantidad de compresión axial es la relación de Poisson. Por el contrario, los metamateriales mecánicos, a diferencia de los materiales de la naturaleza, están diseñados artificialmente para expandirse tanto en la dirección horizontal como en la vertical cuando se estiran en la dirección horizontal. Los metamateriales tienen una relación de Poisson negativa.
El KERI consiguió aumentar hasta un 35% la capacidad de estiramiento de los generadores termoeléctricos, usando una junta con la metaestructura. Un generador termoeléctrico convierte la diferencia de temperatura entre dos extremos en energía eléctrica. Se le denomina dispositivo ecológico de captación de energía de nueva generación, ya que puede utilizar el calor desperdiciado en la vida cotidiana como electricidad.
Hasta ahora, la mayoría de los generadores termoeléctricos utilizaban PCB de cerámica dura, lo que dificultaba su aplicación a superficies curvas como la piel o las tuberías de agua caliente.
Para resolver este problema, se adoptaron como sustentadores materiales flexibles como el silicio y los polímeros, pero el problema era la alta conductividad térmica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre los límites de cada material, mayor será la eficiencia de los generadores termoeléctricos, pero los típicos soportes flexibles provocan derivaciones térmicas e impiden grandes gradientes de temperatura debido a la consiguiente pérdida de calor. En otras palabras, es importante que los generadores termoeléctricos sean flexibles, elásticos y, al mismo tiempo, eficientes.
La junta deformable utilizada por el equipo del Dr. Hyekyoung Choi tiene una metaestructura que aumenta enormemente la estabilidad estructural del generador termoeléctrico. Puede transformarse en varias formas, se estira bien como la piel humana y es fácil de colocar en cualquier sitio. Además, la cámara de aire parcial del interior de la junta tiene excelentes propiedades aislantes, lo que evita la pérdida de calor y asegura la eficacia del generador termoeléctrico al aumentar la diferencia de temperatura hasta un 30% en comparación con los generadores termoeléctricos flexibles existentes.
Los generadores termoeléctricos de KERI son hasta un 35% o más extensibles, y la densidad de producción de energía es más de 20 veces superior (0,1μW/cm2 ⇒ 2~3μW/cm2). Aunque el módulo generador termoeléctrico se amplíe mucho, casi no se deterioran las características eléctricas. Esta extensibilidad y eficiencia son las de mayor nivel del mundo. El equipo de investigación logró una durabilidad que permite al generador mantener su rendimiento sin pérdidas incluso tras 10.000 o más flexiones repetidas.
Los investigadores del equipo no sólo tienen los conocimientos necesarios para desarrollar materiales termoeléctricos de alto rendimiento, sino que también cuentan con tecnología de modularización dedicada a la captación de energía y tecnología relacionada con dispositivos autoalimentados estables. Con una investigación tan convergente, pudimos crear sinergias y tenerlo todo en cuenta, desde el desarrollo de la tecnología básica y las pruebas hasta las aplicaciones en la vida real.
Dr. Hyekyoung Choi, KERI
Se espera que este logro reciba gran atención en el campo de los dispositivos wearables basados en IoT e IA. Los dispositivos wearables existentes tenían el inconveniente de que debían contar con una fuente de alimentación independiente, como una batería, pero con la tecnología de captación de energía térmica de KERI, basta con adherirlos al cuerpo para producir electricidad utilizando el calor corporal, e incluso suministrar energía directamente a través del módulo. También puede aplicarse al campo de la medicina de nueva generación.
El equipo del Dr. Hyekyoung Choi aspira a avanzar en la era de la captación de energía ecológica de próxima generación mediante la investigación y el desarrollo continuos, mejorando la tecnología de refrigeración y los circuitos de gestión de la energía que pueden hacer progresar el rendimiento de los generadores termoeléctricos.
Más información: Hyekyoung Choi et al, Partially Air‐Filled Skin‐Attachable Deformable Gasket with Negative Poisson’s Ratio for Highly‐Efficient Stretchable Thermoelectric Generators, Advanced Energy Materials (2023). DOI: 10.1002/aenm.202301252
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