“Carroñero” de energía podría convertir el calor residual de los frigoríficos y otros dispositivos en electricidad

Los refrigeradores, las calderas e incluso las bombillas vierten calor continuamente en su entorno.

Este “calor residual” podría, en teoría, convertirse en electricidad, como a veces se hace con las centrales eléctricas, los motores de los automóviles y otras fuentes de alto calor.

El problema: estas fuentes de “bajo grado” emiten muy poco calor para que la tecnología actual haga bien la conversión.

Ahora, los investigadores han creado un dispositivo que usa líquidos para convertir de manera eficiente el calor de bajo grado en electricidad.

El avance podría algún día alimentar dispositivos de captación de energía que puedan encender sensores y luces e incluso cargar baterías.

“Este es un buen trabajo y una idea muy inteligente”, dice Ping Liu, un nanoingeniero de la Universidad de California en San Diego, que no participó en el estudio.

Los científicos han sabido durante casi 200 años que ciertos materiales pueden convertir el calor en electricidad y se están explorando para su uso en la generación de electricidad adicional para vehículos híbridos.

Este trabajo lo llevan a cabo semiconductores especializados llamados materiales termoeléctricos que se modelan en pequeños dispositivos del tamaño de chips de computadora.

Cuando un lado de una termoeléctrica está más caliente que el otro, el calor y los electrones se mueven del lado caliente al frío.

El cableado de varios chips de este tipo permite a los ingenieros generar una corriente eléctrica constante.

La clave para la conversión es encontrar materiales que sean buenos para conducir electrones, pero no calor, para mantener una diferencia de temperatura entre los dos lados.

Los que existen son caros y funcionan mejor cuando los lados frío y caliente tienen una diferencia de temperatura de cientos de grados Celsius.

Para fuentes de calor de bajo grado como refrigeradores, son casi inútiles.

Para superar ese problema, el físico de materiales Jun Zhou y sus colegas de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong recurrieron a las termocélulas.

Estos dispositivos utilizan materiales líquidos en lugar de sólidos para conducir cargas de un lado caliente a un lado frío.

No lo hacen mezclando electrones, sino moviendo moléculas cargadas o iones.

Las termocélulas son buenas para convertir pequeñas diferencias de temperatura en electricidad, pero normalmente solo producen pequeñas corrientes.

Eso se debe en parte a que los iones son más lentos que los electrones.

Los iones también transportan calor a través del material (a diferencia de los electrones), lo que reduce la diferencia de temperatura entre los dos lados y reduce la eficiencia de conversión de energía.

Zhou y sus colegas comenzaron con una pequeña termocélula: una cámara del tamaño de un dominó con electrodos en la parte superior e inferior.

El electrodo inferior se sentó sobre una placa caliente y el electrodo superior colindaba con un enfriador, manteniendo una diferencia de temperatura de 50 ° C entre los dos electrodos.

Luego llenaron la cámara con un líquido cargado iónicamente llamado ferricianuro.

Investigaciones anteriores han demostrado que los iones de ferricianuro junto a un electrodo caliente ceden espontáneamente un electrón, cambiando de uno con una carga de –4, o Fe(CN)₆^–4, a un ferricianuro con una carga de –3, o Fe(CN)₆^–3.

Los electrones luego viajan a través de un circuito externo al electrodo frío, alimentando pequeños dispositivos en el camino.

Una vez que alcanzan el electrodo frío, los electrones se combinan con los iones Fe(CN)₆^–3 que se difunden desde abajo.

Esto regenera iones de Fe(CN)₆^–4, que luego se difunden hacia el electrodo caliente y repiten el ciclo.

Para reducir el calor transportado por estos iones en movimiento, Zhou y sus colegas agregaron a su ferricianuro un compuesto orgánico cargado positivamente llamado guanidinio.

En el electrodo frío, el guanidinio hace que los iones Fe(CN)₆^–4 fríos cristalicen en diminutas partículas sólidas.

Debido a que las partículas sólidas tienen una conductividad térmica menor que los líquidos, bloquean parte del calor que viaja del electrodo caliente al frío.

Luego, la gravedad tira de estos cristales hacia el electrodo caliente, donde el calor adicional convierte los cristales en líquido.

“Esto es muy inteligente“, dice Liu, ya que las partículas sólidas ayudaron a mantener el gradiente de temperatura entre los dos electrodos.

También funcionó.

La termocélula generó cinco veces más energía para la misma área de electrodo que las versiones anteriores, informaron Zhou y sus colegas en Science.

También duplicó con creces la eficiencia necesaria para hacer un dispositivo comercial viable.

Un módulo del tamaño de un libro de bolsillo de 20 termocélulas podría encender luces LED, encender un ventilador y cargar un teléfono móvil, encontró el equipo.

“Esto demuestra que se puede mejorar el rendimiento [de estos dispositivos] a un nivel muy respetable”, dice Gang Chen, un ingeniero mecánico del Instituto de Tecnología de Massachusetts que no participó en la investigación.

Queda por ver si eso será lo suficientemente bueno para que la tecnología sea comercialmente exitosa, agrega.

“El calor residual de bajo grado está en todas partes. Pero cobrarlo cuesta dinero“.

El siguiente paso para alimentar dispositivos del mundo real es agregar otros materiales económicos que absorban la mayor cantidad posible de calor residual de las fuentes deseadas mientras excluyen el resto del entorno ambiental, dice Chen, una tarea en la que Zhou dice que su equipo ya está trabajando .

Cuando eso suceda, pronto podremos alimentar todo tipo de pequeños dispositivos con el calor que nos rodea.

Fuente: Science Mag