Material barato convierte calor en electricidad

Los denominados generadores termoeléctricos convierten calor residual en electricidad sin producir emisiones de gases de efecto invernadero, proporcionando lo que parece un almuerzo gratis.

Pero a pesar de ayudar a alimentar los rovers de Marte, el alto costo de estos dispositivos ha impedido su uso generalizado.

Ahora, investigadores han encontrado una manera de fabricar termoeléctricos baratos que funcionan tan bien como los costosos.

El trabajo podría allanar el camino para una nueva generación de motores de automóviles, hornos industriales y otros dispositivos de generación de energía más ecológicos.

“Parece una forma muy inteligente de lograr un alto rendimiento”, dice Li-Dong Zhao, un científico de materiales de la Universidad de Beihang que no participó en el trabajo.

Señala que todavía hay algunos pasos más por tomar antes de que estos materiales puedan convertirse en generadores termoeléctricos de alto rendimiento.

Sin embargo, dice, “creo que esto se utilizará en un futuro no muy lejano“.

Los termoeléctricos son dispositivos semiconductores colocados sobre una superficie caliente, como un motor de automóvil de gasolina.

Eso les da un lado caliente y un lado frío, lejos de la superficie caliente.

Funcionan utilizando el calor para empujar las cargas eléctricas de una a otra.

Si un dispositivo permite que el lado caliente caliente el lado frío, la electricidad deja de fluir.

El éxito de un dispositivo para prevenir esto, así como su capacidad para conducir electrones, se alimenta de una puntuación conocida como la figura del mérito o ZT.

Durante las últimas 2 décadas, los investigadores han producido materiales termoeléctricos con ZT cada vez mayores.

El récord llegó en 2014 cuando Mercouri Kanatzidis, un científico de materiales de la Universidad Northwestern, y sus colegas obtuvieron un solo cristal de seleniuro de estaño con un ZT de 3,1.

Sin embargo, el material era difícil de hacer y demasiado frágil para trabajar con él. “Para aplicaciones prácticas, no es un comienzo“, dice Kanatzidis.

Entonces, su equipo decidió fabricar sus termoeléctricos a partir de polvos de estaño y selenio fácilmente disponibles que, una vez procesados, producen granos de seleniuro de estaño policristalino en lugar de monocristales.

Los granos policristalinos son baratos y se pueden calentar y comprimir en lingotes de 3 a 5 centímetros de largo, que se pueden convertir en dispositivos.

Los lingotes policristalinos también son más robustos, y Kanatzidis esperaba que los límites entre los granos individuales ralentizaran el paso del calor.

Pero cuando su equipo probó los materiales policristalinos, la conductividad térmica se disparó, reduciendo sus puntuaciones ZT a 1,2.

En 2016, el equipo de Northwestern descubrió la fuente del problema: se estaba formando una piel ultrafina de óxido de estaño alrededor de los granos individuales de seleniuro de estaño policristalino antes de que fueran comprimidos en lingotes.

Y esa piel actuó como un carril rápido para que el calor viajara de un grano a otro a través del material.

Entonces, en su estudio actual, Kanatzidis y sus colegas idearon una forma de usar el calor para alejar el oxígeno de los precursores en polvo, dejando seleniuro de estaño policristalino prístino.

El resultado, que informan en Nature Materials, no solo fue una conductividad térmica inferior a la del seleniuro de estaño monocristalino, sino también una ZT de 3,1.

“Esto abre la puerta para que se construyan nuevos dispositivos a partir de pellets de seleniuro de estaño policristalino y se exploren sus aplicaciones”, dice Kanatzidis.

Atravesar esa puerta todavía llevará algo de tiempo.

El seleniuro de estaño policristalino que fabrica el equipo está enriquecido con átomos de sodio, creando lo que se conoce como un material “tipo p” que conduce cargas positivas.

Para fabricar dispositivos que funcionen, los investigadores también necesitan una versión “tipo n” para realizar cargas negativas.

El equipo de Zhao informó recientemente sobre la fabricación de un seleniuro de estaño monocristalino de tipo n añadiéndole átomos de bromo.

Y Kanatzidis dice que su equipo ahora está trabajando en hacer una versión policristalina de tipo n.

Una vez que los dispositivos de seleniuro de estaño de tipo n y tipo p estén emparejados, los investigadores deberían tener un camino claro para hacer una nueva generación de generadores termoeléctricos ultraeficientes.

Esos podrían instalarse en todas partes, desde tubos de escape de automóviles hasta calentadores de agua y hornos industriales para recolectar parte del 65% de la energía de combustibles fósiles que termina como calor residual.

Fuente: Nature Materials