Los generadores termoeléctricos, capaces de convertir el calor residual en energía limpia, podrían pronto ser tan eficientes como otras fuentes de energía renovable, como la solar, según un equipo de científicos liderado por la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State). Utilizando materiales de alta entropía, los investigadores lograron desarrollar materiales termoeléctricos más eficientes que los previamente disponibles, lo que podría incluso facilitar la exploración espacial a largo plazo. Los resultados de esta investigación fueron publicados en la revista Joule.
Conversión del calor residual en energía verde: Un nuevo enfoque aumenta la eficiencia de los generadores termoeléctricos
Los dispositivos termoeléctricos, incluidos los generadores termoeléctricos de radioisótopos que producen energía para las misiones de exploración espacial de la NASA, convierten diferencias de temperatura en electricidad. Cuando se colocan cerca de una fuente de calor, como una tubería de vapor en una planta de energía, los portadores de carga (como los electrones) se desplazan desde el lado caliente hacia el lado frío, produciendo una corriente eléctrica.
Mejoras en la eficiencia termoeléctrica
Actualmente, los dispositivos termoeléctricos comerciales tienen una eficiencia del 5 % al 6 %. Sin embargo, los investigadores de Penn State, mediante un nuevo enfoque de fabricación, crearon un prototipo que alcanzó una eficiencia de conversión del 15 %. Esto significa que los dispositivos existentes podrían reducirse en tamaño hasta en un 200 % y aún así generar la misma cantidad de energía, o que dispositivos del mismo tamaño podrían producir hasta un 200 % más de energía.
«Estos hallazgos muestran una nueva dirección sobre cómo mejorar la eficiencia de los dispositivos termoeléctricos«, explicó Bed Poudel, profesor de investigación en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Penn State y coautor del estudio. «Nuestro trabajo abre un camino nuevo hacia la creación de materiales termoeléctricos muy prometedores y podría conducir a avances aún mayores con el desarrollo de materiales en el futuro«.
El equipo ya había trabajado previamente con aleaciones de medio-Heusler, una clase especial de materiales que son eficaces para generar energía termoeléctrica a temperaturas medio-altas. Estas aleaciones, compuestas por tres elementos metálicos, a veces incluyen pequeñas cantidades de otros materiales, llamados dopantes, para mejorar su rendimiento.
La incorporación de materiales de alta entropía
En este nuevo estudio, los científicos se centraron en materiales de alta entropía del tipo medio-Heusler. Estas aleaciones, formadas por al menos cinco elementos principales en una única estructura cristalina, conservan las propiedades de los materiales medio-Heusler pero con características mejoradas.
«Lo que hicimos en este trabajo fue integrar exitosamente la ingeniería de alta entropía en un sistema medio-Heusler«, señaló Wenjie Li, profesor asociado de investigación en Penn State y coautor del estudio. «Con los compuestos convencionales, puedes tener 100 opciones para hacer diferentes composiciones químicas. Pero con el concepto de alta entropía, podemos crear miles de combinaciones químicas para alterar las propiedades del material«.
El uso de materiales de alta entropía implica la incorporación de más átomos, lo que genera una estructura cristalina más desordenada. Este desorden ralentiza el movimiento de los portadores de carga a través del material, disminuyendo su conductividad térmica. Sin embargo, la selección adecuada de estos átomos asegura que el material mantenga un alto factor de potencia, una medida de cuán eficientemente un sistema eléctrico puede convertir energía en trabajo útil.
«Con este concepto, podemos mantener simultáneamente un alto factor de potencia y lograr una baja conductividad térmica para maximizar la figura de mérito del material, que es una medida de la efectividad de los materiales termoeléctricos«, explicó Subrata Ghosh, becario postdoctoral en Penn State y autor principal del estudio.
El nuevo material termoeléctrico alcanzó una figura de mérito récord de 1,50 con un cambio de temperatura de 1.060 grados Kelvin, o aproximadamente 787 °C. Esto representa un aumento del 50 % en comparación con los materiales más avanzados disponibles actualmente.
Implicaciones para la recuperación de calor residual
Los materiales de alta entropía suelen utilizarse en aplicaciones de alta temperatura, como en motores de aviones a reacción o vehículos hipersónicos. Sin embargo, esta es la primera vez que se han utilizado para desarrollar un sistema termoeléctrico de medio-Heusler superior, explicó Li.
Este avance tiene importantes implicaciones para la creación de dispositivos más eficientes en la recuperación de calor residual en entornos industriales. Recuperar este calor residual y utilizarlo para generar electricidad puede reducir el consumo de combustibles fósiles. Además, los dispositivos termoeléctricos, al no tener partes móviles ni producir reacciones químicas o emisiones, representan una fuente prometedora de energía limpia.
Los dispositivos termoeléctricos se asemejan a una mesa con dos patas: una pata está hecha de material semiconductor de tipo p y la otra de tipo n. El estudio actual se centra únicamente en el material de tipo p, pero los científicos creen que aplicar este enfoque al material de tipo n podría aumentar aún más la eficiencia.
«Si podemos implementar esto en una gama más amplia de materiales termoeléctricos y continuar obteniendo buenas figuras de mérito, podríamos llevar la eficiencia de conversión al 20 % o más«, comentó Poudel. «Eso sería muy competitivo con la energía solar u otras tecnologías de generación de energía en estado sólido. Lo emocionante es ver a dónde puede llevarnos este desarrollo de materiales en el futuro«.
Futuro de los generadores termoeléctricos
La posibilidad de alcanzar eficiencias del 20 % o superiores coloca a los generadores termoeléctricos como una tecnología competitiva en el ámbito de las energías renovables, en especial cuando se habla de aplicaciones en las que se aprovecha el calor residual. Sectores industriales que actualmente desperdician grandes cantidades de energía térmica podrían beneficiarse enormemente de esta innovación, mejorando su eficiencia energética y reduciendo su huella de carbono.
El uso de materiales de alta entropía no solo ha permitido un avance significativo en la eficiencia de los generadores termoeléctricos, sino que también abre la puerta a futuras aplicaciones tanto en la Tierra como en el espacio. Las investigaciones en curso podrían seguir mejorando estos dispositivos, haciéndolos una opción clave para el futuro de la energía sostenible y renovable.
Vía www.psu.edu
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