El equipo de investigación del NIST, dirigido por Kris Bertness, explora un novedoso método de conversión de calor en electricidad y ha desarrollado un dispositivo para ello. Una vez perfeccionada esta tecnología, convertiría el calor en electricidad que, de otro modo, se desperdiciaría. La investigación se basa en el descubrimiento del físico alemán Thomas Seebeck. Este equipo también ha incorporado el descubrimiento de Mahmoud Hussein en su estudio sobre la conversión termoeléctrica.
Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han diseñado un dispositivo innovador que, de ser perfecto, podría convertir con éxito el calor en electricidad. Esta tecnología tiene el potencial de recuperar la energía térmica desperdiciada en Estados Unidos, que se estima que se pierde a un ritmo asombroso de aproximadamente 100 mil millones de dólares al año.
Kris Bertness , investigadora del NIST, y su equipo crearon esta técnica. Consiste en depositar miles de columnas microscópicas de nitruro de galio sobre una oblea de silicio. Posteriormente, el silicio se retira capa a capa de la parte inferior de la oblea hasta que solo queda una lámina delgada. Se puede convertir más calor en corriente eléctrica debido a la interacción entre las columnas y la lámina de silicio, lo que ralentiza la transferencia de calor en el material.
Las láminas de silicio podrían envolverse alrededor de tubos de vapor o de escape una vez que se desarrolle el proceso de fabricación para convertir las emisiones de calor en electricidad, la cual podría utilizarse para alimentar dispositivos cercanos o enviarse a la red eléctrica. Refrigerar chips de computadora sería otro posible uso.
El físico alemán Thomas Seebeck fue el primero en observar un comportamiento peculiar que sirvió de base para el estudio del NIST y la Universidad de Colorado. A principios de la década de 1820, Seebeck comenzó a investigar un bucle formado por dos alambres metálicos de distinta composición unidos por ambos extremos. Observó que, al variar la temperatura de las dos uniones que mantenían unidos los alambres, la aguja de una brújula cercana se desviaba.
Otros investigadores descubrieron que la diferencia de temperatura entre las dos zonas generaba un voltaje y una corriente que provocaba la desviación. El campo magnético producido por la corriente hacía que la aguja de la brújula se desviara.
El efecto Seebeck , que en teoría convierte el calor en electricidad, podría ser el mejor método para reutilizar la energía térmica que de otro modo se desperdiciaría. Pero existía un obstáculo importante.
Para mantener una diferencia de temperatura, un material debe tener baja conductividad térmica y alta conductividad eléctrica para generar una cantidad sustancial de energía eléctrica. Sin embargo, la mayoría de los materiales presentan tanto conductividad eléctrica como térmica; un mal conductor eléctrico también presenta baja conductividad térmica, y viceversa.
Mahmoud Hussein , de la Universidad de Colorado, durante su investigación sobre la física de la conversión termoeléctrica, descubrió que estas propiedades podían separarse en una fina membrana cubierta de nanopilares: columnas verticales de material de no más de unas pocas millonésimas de metro, o aproximadamente una décima parte del grosor de un cabello humano. Su descubrimiento inspiró al equipo y a Bertness a trabajar en esta tecnología.
Con la ayuda de los nanopilares, Bertness, Hussein y sus colegas lograron separar con éxito la conductividad térmica de la conductividad eléctrica de la lámina de silicio . Se trata de un hito para cualquier material y un paso significativo hacia la conversión eficiente de calor en electricidad.
Sin afectar su conductividad eléctrica ni alterar el efecto Seebeck, los investigadores lograron reducir la conductividad térmica de la lámina de silicio en un 21%.
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Los átomos están unidos por enlaces y no pueden moverse libremente para conducir el calor en el silicio y otros materiales. Como resultado, el movimiento de la energía térmica se manifiesta como fonones en movimiento, que son las vibraciones de los átomos colectivos. Tanto la lámina de silicio como los nanopilares de nitruro de galio contienen fonones; sin embargo, los fonones dentro de los nanopilares son ondas estacionarias que se mantienen estacionarias en ambos extremos gracias a las paredes de las diminutas columnas.
Esta interacción entre fonones y vibraciones ralentiza la propagación de los fonones, dificultando la transferencia de calor a través del material. Como resultado, la conductividad térmica disminuye y la diferencia de temperatura entre los extremos aumenta. Durante todo este proceso, la conductividad eléctrica de la lámina de silicio permanece inalterada.
Actualmente, el equipo trabaja únicamente con estructuras de silicio y busca una mejor geometría para la recuperación de calor termoeléctrico. Esperan demostrar una alta tasa de conversión de calor en electricidad. Esta tasa de conversión garantiza que la técnica sea económicamente viable para la industria.
Fuente: Comunicado de prensa del NIST
