Por SCITECHDAILY 05 Agosto 2021 – World Energy Trade
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Un equipo de científicos acaba de demostrar la existencia de un material termoeléctrico de alto rendimiento cuya forma práctica puede utilizarse para el desarrollo de equipos. Concretamente, se trata de un seleniuro de estaño purificado que posee un rendimiento termoeléctrico extraordinariamente alto.
Perseverance, el vehículo explorador de la NASA lanzado a Marte en 2020, se alimenta de algo muy deseable aquí en la Tierra: un dispositivo termoeléctrico, que convierte el calor en electricidad útil.
En Marte, la fuente de calor es la desintegración radiactiva del plutonio, y la eficiencia de conversión del dispositivo es del 4-5%. Esto es suficiente para alimentar a Perseverance y sus operaciones, pero no es lo suficientemente bueno para las aplicaciones en la Tierra.
Un equipo de científicos de la Universidad de Northwestern y la Universidad Nacional de Seúl (Corea) ha demostrado un material termoeléctrico de alto rendimiento en una forma práctica que puede utilizarse en el desarrollo de equipos.
Se trata de seleniuro de estaño purificado que, en su forma policristalina, supera a la forma monocristalina a la hora de convertir el calor en electricidad, lo que lo convierte en el sistema termoeléctrico más eficaz del que se tiene constancia. Los investigadores lograron esta elevada tasa de conversión tras identificar y eliminar un problema de oxidación que había degradado el rendimiento en estudios anteriores.
El seleniuro de estaño policristalino podría desarrollarse para su uso en dispositivos termoeléctricos de estado sólido en diversas industrias, con un potencial de ahorro energético enorme.
Una de las principales aplicaciones es capturar el calor residual de la industria, como el de las centrales eléctricas, la industria del automóvil y las fábricas de vidrio y ladrillos, y convertirlo en electricidad.
Más del 65% de la energía producida en el mundo a partir de combustibles fósiles se pierde en forma de calor residual.
“Los dispositivos termoeléctricos se utilizan, pero sólo en aplicaciones especializadas, como en el explorador de Marte”, explica Mercouri Kanatzidis, químico de Northwestern experto en el diseño de nuevos materiales.
“Estos dispositivos no se han puesto de moda como las células solares, y existen importantes retos para fabricar productos satisfactorios. Nos centramos en desarrollar un material que sea de bajo coste y alto rendimiento y que impulse los dispositivos termoeléctricos hacia una aplicación más generalizada.”
Kanatzidis, catedrático de química Charles E. y Emma H. Morrison de la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg, es uno de los autores del estudio. Tiene un contrato con el Argonne National Laboratory.
Los detalles del material termoeléctrico y su rendimiento récord se publicaron el 2 de agosto de 2021 en la revista Nature Materials.
In Chung, de la Universidad Nacional de Seúl, es otro de los autores del artículo. Vinayak Dravid, Doctorado en Ciencia e Ingeniería de los Materiales, en la Universidad de Lehigh, Bethlehem, PA, es uno de los autores principales del estudio. Dravid es un antiguo colaborador de Kanatzidis.
Los dispositivos termoeléctricos ya están bien definidos, dice Kanatzidis, pero lo que hace que funcionen bien o no es el material termoeléctrico que llevan dentro. Un lado del dispositivo está caliente y el otro frío. El material termoeléctrico se encuentra en el medio. El calor fluye a través del material, y parte del calor se convierte en electricidad, que sale del dispositivo a través de cables.
El material tiene que tener una conductividad térmica extremadamente baja y, al mismo tiempo, una buena conductividad eléctrica para ser eficiente en la conversión del calor residual. Y como la fuente de calor puede alcanzar los 400-500 grados Celsius, 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.
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Algo mágico estaba ocurriendo
En 2014, Kanatzidis y su equipo informaron del descubrimiento de un material sorprendente que era el mejor del mundo para convertir el calor residual en electricidad útil: la forma cristalina del compuesto químico seleniuro de estaño. Aunque se trata de un descubrimiento importante, la forma monocristalina es poco práctica para la producción en masa debido a su fragilidad y tendencia a escamarse.
El seleniuro de estaño en forma policristalina, que es más resistente y puede cortarse y moldearse para sus aplicaciones, resultaba necesario, por lo que los investigadores se dedicaron a estudiar el material en esa forma. La inesperada sorpresa fue que descubrieron que la conductividad térmica del material era alta, y no el bajo nivel deseable que se encuentra en la forma monocristalina.
“Nos dimos cuenta de que estaba ocurriendo algo realmente extraño”, dijo Kanatzidis. “Lo que se esperaba era que el seleniuro de estaño en forma policristalina no tuviera una alta conductividad térmica, pero la tenía. Teníamos un problema”.
Tras un examen más detallado, los investigadores descubrieron una película de estaño oxidado en el material. El calor fluía a través de la película conductora, aumentando la conductividad térmica, lo que no es deseable en un dispositivo termoeléctrico.
Una solución que abre puertas
Tras descubrir 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 posteriormente analizaron.
Se midió la verdadera conductividad térmica de la forma policristalina y se comprobó que era menor, como se esperaba en un principio. Su rendimiento como dispositivo termoeléctrico, convirtiendo el calor en electricidad, superó al de la forma monocristalina, convirtiéndolo en el más eficiente del que se tiene constancia.
La eficiencia de la conversión del calor residual en los termoeléctricos está reflejada como una “cifra de mérito”, un número llamado ZT. Cuanto más alto sea el número, mejor será la tasa de conversión. El ZT del seleniuro de estaño monocristalino era de aproximadamente 2,2 a 2,6 a 913 Kelvin. En este nuevo estudio, los investigadores descubrieron que el seleniuro de estaño purificado en forma policristalina tenía una ZT de aproximadamente 3,1 a 783 Kelvin. Su conductividad térmica era ultrabaja, inferior a la de los monocristales.
“Esto abre la puerta a la construcción de nuevos dispositivos a partir de gránulos de seleniuro de estaño policristalino y a la exploración de sus aplicaciones”, dijo Kanatzidis.
Northwestern posee la propiedad intelectual del material de seleniuro de estaño. Entre las posibles áreas de aplicación del material termoeléctrico se encuentran la industria del automóvil (una cantidad significativa de la energía potencial de la gasolina sale por el tubo de escape de un vehículo), las industrias de fabricación pesada (como la fabricación de vidrio y ladrillos, las refinerías, las centrales eléctricas de carbón y gas) y los lugares en los que los grandes motores de combustión funcionan de forma continua (como en los grandes barcos y petroleros).
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