Investigadores coreanos revolucionan la tecnología termoeléctrica: los materiales en forma de reloj de arena logran un aumento de la eficiencia del 360%

Una tecnología innovadora mejora significativamente la eficiencia de los materiales termoeléctricos, fundamentales para convertir el calor residual en electricidad, mediante la alteración de su geometría para asemejarse a un reloj de arena. A diferencia de investigaciones previas que se enfocaban únicamente en las propiedades de los materiales termoeléctricos, este nuevo enfoque se espera que tenga aplicaciones generalizadas en la generación de energía termoeléctrica.

La Fundación Nacional de Investigación de Corea (dirigida por Lee Kwang-bok) anunció que un equipo de investigación conjunta, liderado por el Profesor Jae Sung Son de POSTECH y Saniya LeBlanc de la Universidad George Washington, ha desarrollado con éxito una nueva geometría para los materiales termoeléctricos, que antes estaban limitados a formas cúbicas, mediante el diseño geométrico y procesos de impresión 3D. Este nuevo diseño mejora notablemente la eficiencia en la generación de energía.

La tecnología termoeléctrica, como su nombre lo indica, es una tecnología que convierte el calor en electricidad. Está ganando atención como una fuente de energía renovable sostenible porque puede convertir el calor generado por fábricas, motores de automóviles e incluso el calor corporal en electricidad. Los materiales termoeléctricos, que son centrales en esta tecnología, se fabrican típicamente a partir de materiales semiconductores sólidos. Hasta ahora, la investigación en generadores termoeléctricos se ha centrado en mejorar las propiedades inherentes de los materiales termoeléctricos (ZT). Sin embargo, a pesar de las mejoras en el ZT, la eficiencia de los generadores termoeléctricos no ha alcanzado un nivel práctico para su uso cotidiano, lo que ha hecho necesario un nuevo enfoque más allá de solo mejorar las propiedades del material.

El equipo de investigación ha demostrado a través de este estudio que simplemente cambiar la geometría y la composición de los materiales termoeléctricos puede maximizar la eficiencia de generación de energía. Mediante la simulación de ocho estructuras geométricas diferentes, incluyendo la tradicional forma cúbica y la forma de reloj de arena, y la medición de la eficiencia de generación de energía de cada una, el equipo confirmó que el reloj de arena superaba consistentemente a las demás bajo todas las condiciones de generación de energía. El equipo de investigación avanzó aún más en los procesos de impresión 3D capaces de producir materiales termoeléctricos con formas complejas, creando defectos de microcapas de alta densidad dentro del material para minimizar la conductividad térmica e incrementar el índice de rendimiento termoeléctrico (ZT) a 2.0, el valor más alto alcanzado para materiales termoeléctricos producidos mediante impresión 3D.

Basado en estos experimentos, el equipo fabricó generadores termoeléctricos utilizando las ocho estructuras diferentes y midió su eficiencia, encontrando que el generador con forma de reloj de arena era aproximadamente 3.6 veces más eficiente que el generador tradicional de base rectangular.

El profesor Jae Sung Son declaró: «Esta investigación es la primera instancia en la que se ha mejorado la eficiencia mediante la geometría tridimensional del material, controlando el transporte térmico y eléctrico, en lugar de centrarse en la microestructura convencional de los materiales termoeléctricos. Se espera que este enfoque pueda aplicarse universalmente a todos los materiales termoeléctricos y también se pueda utilizar en tecnologías de enfriamiento termoeléctrico«.

Este logro, apoyado por el Programa de Investigación de Carrera Intermedia y el Programa de Desarrollo de Tecnología Nano y de Materiales del Ministerio de Ciencia y TIC y la Fundación Nacional de Investigación de Corea, fue publicado en línea en la revista internacional Nature Energy el 19 de julio.

Impacto en la sostenibilidad y las energías renovables

Este avance en la tecnología termoeléctrica tiene un potencial significativo para la sostenibilidad y las energías renovables. La capacidad de convertir eficientemente el calor residual, que de otro modo se desperdiciaría, en electricidad utilizable, podría transformar la eficiencia energética de varias industrias. Por ejemplo, las plantas industriales, que generan grandes cantidades de calor residual, podrían aprovechar esta tecnología para reducir su huella de carbono y mejorar su eficiencia energética. Además, la posibilidad de utilizar el calor corporal para generar electricidad podría abrir nuevas vías para dispositivos portátiles autosuficientes, reduciendo la dependencia de baterías y otras fuentes de energía.

Este enfoque también podría complementar otras formas de energía renovable, como la solar y la eólica, proporcionando una fuente adicional de energía en sistemas híbridos. Al maximizar el uso del calor residual, la tecnología termoeléctrica podría contribuir significativamente a un sistema energético más sostenible y diversificado, reduciendo la dependencia de combustibles fósiles y minimizando el impacto ambiental.

La introducción de materiales termoeléctricos con geometría optimizada no solo representa un avance técnico, sino que también abre nuevas oportunidades para la innovación en sostenibilidad energética, con aplicaciones que podrían beneficiar tanto a industrias como a consumidores individuales. Este desarrollo es un paso adelante hacia un futuro más eficiente y ecológico, donde cada forma de energía se utiliza de manera más inteligente y responsable.

Vía www.postech.ac.kr

Qué es la energía termoeléctrica

La energía termoeléctrica es una forma de energía que se genera mediante la conversión directa del calor en electricidad, utilizando materiales llamados materiales termoeléctricos. Este proceso se basa en el efecto Seebeck, un fenómeno físico que ocurre cuando hay una diferencia de temperatura entre dos lados de un material conductor o semiconductor. Esta diferencia de temperatura provoca que los electrones en el material se muevan, creando una corriente eléctrica.

Principios fundamentales de la energía termoeléctrica

1. Efecto Seebeck: Cuando dos materiales diferentes están unidos en un circuito y se expone a temperaturas distintas en sus extremos, se genera una tensión eléctrica que impulsa una corriente. Este efecto es el principio básico de los generadores termoeléctricos.
2. Efecto Peltier: Es el inverso del efecto Seebeck. Si se aplica una corriente eléctrica a través de un circuito formado por dos materiales diferentes, se puede generar una diferencia de temperatura, es decir, enfriar o calentar una de las uniones. Este efecto se utiliza en dispositivos de refrigeración termoeléctrica.

Aplicaciones de la energía termoeléctrica

La energía termoeléctrica tiene diversas aplicaciones, especialmente en situaciones donde hay una fuente de calor residual que, de otro modo, se desperdiciaría:

• Aprovechamiento del calor residual: En industrias, plantas de energía, o incluso en vehículos, se genera mucho calor que normalmente se pierde. Los generadores termoeléctricos pueden capturar este calor y convertirlo en electricidad, mejorando la eficiencia energética global.
• Dispositivos portátiles: Algunos dispositivos pequeños, como relojes o sensores, pueden funcionar utilizando el calor corporal como fuente de energía, eliminando la necesidad de baterías.
• Energía en el espacio: Las sondas espaciales y otros dispositivos que operan en ambientes remotos o en el espacio profundo a menudo utilizan generadores termoeléctricos de radioisótopos para convertir el calor producido por la descomposición radiactiva en electricidad.

Ventajas y Desafíos

Ventajas:

• No tiene partes móviles, lo que significa que es una tecnología silenciosa, duradera y de bajo mantenimiento.
• Sostenibilidad: Permite aprovechar el calor que de otro modo se desperdiciaría, lo que contribuye a la eficiencia energética y la reducción de emisiones de carbono.

Desafíos:

• Baja eficiencia: Históricamente, la eficiencia de conversión de los generadores termoeléctricos ha sido baja en comparación con otras tecnologías de generación de energía, aunque los avances recientes están mejorando esto.
• Coste: Los materiales termoeléctricos, especialmente los de alto rendimiento, pueden ser costosos, lo que limita su adopción masiva.

La energía termoeléctrica es una tecnología prometedora que convierte el calor en electricidad de manera directa, ofreciendo soluciones innovadoras en la gestión de energía y sostenibilidad, aunque aún enfrenta retos en términos de eficiencia y coste.