Un generador de energía termoeléctrica que convierte el calor residual en electricidad útil sin producir emisiones de gases de efecto invernadero.
Esta tecnología podría ayudar a reciclar la energía que de otro modo se desperdicia en forma de calor en la electrónica, las centrales eléctricas y los motores en general.
Pero, a pesar de ayudar a alimentar el explorador de Marte de la NASA en 2020, el alto coste y la baja eficiencia de estos dispositivos han impedido su uso generalizado en la Tierra.
Ahora, un equipo de ingenieros de la Universidad Northwestern y la Universidad Nacional de Seúl (Corea) ha desarrollado un nuevo material termoeléctrico que podría ser el más eficiente y barato hasta la fecha. El nuevo material -la forma policristalina mejorada del seleniuro de estaño purificado- supera a la forma monocristalina a la hora de convertir el calor en electricidad, lo que lo convierte en el sistema termoeléctrico más eficiente del que se tiene constancia.
El material termoeléctrico del interior de los dispositivos termoeléctricos genera electricidad utilizando una diferencia de temperatura entre sus dos lados. Un lado del dispositivo está caliente y el otro frío. El calentamiento de un lado del material puede hacer que los electrones empiecen a moverse del lado más caliente al más frío, generando una corriente eléctrica en el proceso.
Para ser el mejor en la conversión de calor residual, el material debe tener una alta conductividad eléctrica pero una baja conductividad térmica, de modo que los electrones puedan fluir fácilmente mientras el calor se queda en un lado. Además, el material debe ser estable a temperaturas muy altas. Estos y otros retos hacen que los dispositivos termoeléctricos sean más difíciles de producir que las células solares.
La eficiencia de la conversión del calor residual en los dispositivos termoeléctricos se refleja en su ZT. Cuanto mayor sea esta cifra, mejor será la tasa de conversión. La ZT del seleniuro de estaño monocristalino era de aproximadamente 2,2 a 2,6 a 913 Kelvin. Ahora, los ingenieros de la Universidad de Northwestern afirman haber logrado un ZT récord de aproximadamente 3,1 a 783 Kelvin.
La clave fue el sorprendente material llamado seleniuro de estaño, que el equipo había llevado previamente a una ZT de 2,6 en su forma de monocristal. Sin embargo, la forma monocristalina es poco práctica para la producción en masa debido a su fragilidad y tendencia a escamarse. Por ello, los ingenieros utilizaron el seleniuro de estaño en forma policristalina, que es más resistente y fácil de cortar y moldear según las necesidades.
Cuando los investigadores empezaron a experimentar con esta forma, descubrieron que la conductividad térmica del material era alta, lo que no es deseable en un dispositivo termoeléctrico. Un examen más detallado reveló que el culpable era una piel de estaño oxidada en el material. El calor fluía a través de la piel conductora, aumentando la conductividad térmica.
Tras averiguar que la oxidación procedía tanto del propio proceso como de los materiales de partida, el equipo coreano encontró una forma de eliminar el oxígeno. Así, los investigadores pudieron producir gránulos de seleniuro de estaño sin oxígeno, que luego probaron. El seleniuro de estaño purificado consiguió alcanzar un ZT de aproximadamente 3,1, superando el de la forma de cristal único, lo que lo convierte en el más eficiente registrado.
Esto abre la puerta a la construcción de nuevos dispositivos a partir de gránulos policristalinos de seleniuro de estaño y a la exploración de sus aplicaciones.
Mercouri Kanatzidis, químico de Northwestern.
Entre las posibles áreas de aplicación del material termoeléctrico se encuentran la industria del automóvil, las industrias de fabricación pesada (como la fabricación de vidrio y ladrillos, las refinerías, las centrales eléctricas de carbón y gas) y los lugares donde operan grandes motores de combustión.
Vía northwestern.edu
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