General

MIT desarrolla una nueva forma de triplicar la electricidad térmica


Los ingenieros del MIT simplemente facilitaron mucho la conversión del calor en electricidad. El equipo tomó dispositivos termoeléctricos tradicionales y los reinventó utilizando materiales "topológicos".

Un aislante topológico son materiales que aíslan el interior pero soportan el movimiento de electrones en la superficie de un objeto. Para el postdoctorado Te-Huan Liu del departamento de ingeniería mecánica del MIT, la física única de los materiales topológicos es exactamente lo que su equipo usó para hacer el descubrimiento.

"Descubrimos que podemos traspasar los límites de este material nanoestructurado de una manera que hace que los materiales topológicos sean un buen material termoeléctrico, más que los semiconductores convencionales como el silicio", dijo en una entrevista con el MIT. "Al final, esta podría ser una forma de energía limpia que nos ayude a utilizar una fuente de calor para generar electricidad, lo que reducirá nuestra liberación de dióxido de carbono".

Los dispositivos termoeléctricos se utilizan actualmente para alimentar aplicaciones de relativamente baja potencia. Funcionan para sensores de oleoductos, en casi todas las sondas espaciales en los últimos años, en generadores termoeléctricos de automóviles para aumentar la eficiencia del combustible e incluso en algunas minineveras. Incluso se pueden encontrar en centrales eléctricas para convertir el exceso de calor residual en energía eléctrica adicional. Pero los hallazgos de Liu y el equipo podrían aumentar la energía producida por thermal tres veces más de lo que tradicionalmente se creía posible.

pero como funciona? Cuando se calienta un extremo de los materiales termoeléctricos tradicionales y se enfría el otro lado, los electrones fluyen desde el extremo caliente al frío y generan corriente eléctrica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será la corriente. La cantidad de energía generada también depende de las propiedades del propio material.

Sin embargo, investigaciones anteriores mostraron que los materiales topológicos en realidad se pueden nanoestructurar y modelar para mejorar su capacidad de aumentar en última instancia la corriente. Liu y su equipo querían ver exactamente cuánto de ese impulso provenía del material topológico en sí y cuánto provenía de cómo podría reestructurarse.

Para obtener esas respuestas, Liu estudió el rendimiento del telururo de estaño, uno de los mejores materiales topológicos termoeléctricos. El semiconductor a menudo se alea con plomo que se utiliza en detectores de infrarrojos.

Para medir la nanoestructura frente al rendimiento natural, el equipo midió la distancia promedio que viajaría un electrón con una determinada energía en un material antes de ser dispersado por defectos en dicho material. Es un proceso de uso común llamado "camino libre medio".

El equipo finalmente descubrió que cuanto más pequeño es el tamaño de grano de un material, los electrones con mayor energía conducen más corriente eléctrica, ya que es menos probable que se dispersen. Por lo tanto, hay un margen mayor para mejoras de voltaje. ¿El mejor escenario que encontraron los investigadores? Disminuir el tamaño del grano del telururo de estaño a solo 10 nanómetros les dio tres veces la cantidad de electricidad que habría sucedido con un grano más grande.

Según la investigación:

"Los materiales nanoestructurados se asemejan a un mosaico de cristales diminutos, cada uno con bordes, conocidos como límites de grano, que separan un cristal de otro. Cuando los electrones encuentran estos límites, tienden a dispersarse de varias formas. Los electrones con trayectorias libres medias largas se dispersan fuertemente como balas que rebotan en una pared, mientras que los electrones con caminos libres medios más cortos se ven mucho menos afectados ".

"En nuestras simulaciones, descubrimos que podemos reducir el tamaño de grano de un material topológico mucho más de lo que se pensaba anteriormente y, en base a este concepto, podemos aumentar su eficiencia", dijo Liu.

En última instancia, Liu y el equipo dijeron que este descubrimiento podría ayudar a los ingenieros a crear dispositivos más inteligentes que usen la energía de manera más efectiva y no desperdicien nada, ni siquiera la producción de calor.


Ver el vídeo: Producir electricidad con calor.. la forma elegante..3 nuevos motores Stirling NQUEH (Octubre 2021).