Demuestran una forma novedosa de convertir el calor en electricidad
19 de mayo de 2023
Ilustración de nanopilares utilizados en un nuevo diseño para convertir eficientemente la energía térmica en electricidad.
Crédito: S. Kelley/NIST
Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han fabricado un dispositivo novedoso que podría impulsar drásticamente la conversión de calor en electricidad. Si se perfecciona, la tecnología podría ayudar a recuperar parte de la energía térmica que se desperdicia en los EE. UU. a un ritmo de alrededor de $100 mil millones cada año.
La nueva técnica de fabricación, desarrollada por la investigadora del NIST Kris Bertness y sus colaboradores, consiste en depositar cientos de miles de columnas microscópicas de nitruro de galio sobre una oblea de silicio. Luego se eliminan capas de silicio de la parte inferior de la oblea hasta que solo queda una fina lámina del material. La interacción entre los pilares y la lámina de silicio ralentiza el transporte de calor en el silicio, lo que permite que una mayor parte del calor se convierta en corriente eléctrica. Bertness y sus colaboradores de la Universidad de Colorado Boulder informaron los hallazgos en línea el 23 de marzo en Advanced Materials .
Una vez que se perfeccione el método de fabricación, las láminas de silicio podrían envolverse alrededor de tubos de escape o vapor para convertir las emisiones de calor en electricidad que podría alimentar dispositivos cercanos o suministrarse a una red eléctrica. Otra aplicación potencial sería el enfriamiento de chips de computadora.
Uso de nanopilares para convertir eficientemente el calor en electricidad
Al hacer crecer nanopilares sobre una membrana de silicio, los científicos del NIST y sus colegas han reducido la conducción de calor en un 21 % sin reducir la conductividad eléctrica, un resultado que podría impulsar drásticamente la conversión de energía térmica en energía eléctrica. En los sólidos, la energía térmica es transportada por fonones, vibraciones periódicas de los átomos en una red cristalina. Ciertas vibraciones de los fonones en la membrana resuenan con las de los nanopilares, actuando para retardar la transferencia de calor. Fundamentalmente, los nanopilares no ralentizan el movimiento de los electrones, por lo que la conductividad eléctrica se mantiene alta, creando un material termoeléctrico superior. Crédito: S. Kelley/NIST
El estudio del NIST y la Universidad de Colorado se basa en un curioso fenómeno descubierto por primera vez por el físico alemán Thomas Seebeck. A principios de la década de 1820, Seebeck estaba estudiando dos alambres de metal, cada uno hecho de un material diferente, que se unieron en ambos extremos para formar un lazo. Observó que cuando las dos uniones que conectaban los cables se mantenían a diferentes temperaturas, la aguja de una brújula cercana se desviaba. Otros científicos pronto se dieron cuenta de que la desviación se debía a que la diferencia de temperatura inducía un voltaje entre las dos regiones, lo que provocaba que la corriente fluyera de la región más caliente a la más fría. La corriente creó un campo magnético que desvió la aguja de la brújula.En teoría, el llamado efecto Seebeck podría ser una forma ideal de reciclar la energía térmica que de otro modo se perdería. Pero ha habido un gran obstáculo. Un material debe conducir mal el calor para mantener una diferencia de temperatura entre dos regiones y, sin embargo, conducir la electricidad extremadamente bien para convertir el calor en una cantidad sustancial de energía eléctrica. Sin embargo, para la mayoría de las sustancias, la conductividad térmica y la conductividad eléctrica van de la mano; un mal conductor del calor lo convierte en un mal conductor eléctrico y viceversa.
Al estudiar la física de la conversión termoeléctrica, el teórico Mahmoud Hussein de la Universidad de Colorado descubrió que estas propiedades podrían desacoplarse en una membrana delgada cubierta con nanopilares, columnas de material de no más de unas pocas millonésimas de metro de longitud, o alrededor de una -décima parte del grosor de un cabello humano. Su hallazgo condujo a la colaboración con Bertness.
Usando los nanopilares, Bertness, Hussein y sus colegas lograron desacoplar la conductividad térmica de la conductividad eléctrica en la lámina de silicio, una novedad para cualquier material y un hito para permitir la conversión eficiente de calor en energía eléctrica. Los investigadores redujeron la conductividad térmica de la lámina de silicio en un 21 % sin disminuir su conductividad eléctrica ni cambiar el efecto Seebeck.
En el silicio y otros sólidos, los átomos están restringidos por enlaces y no pueden moverse libremente para transmitir calor. Como consecuencia, el transporte de energía térmica toma la forma de fonones, vibraciones colectivas en movimiento de los átomos. Tanto los nanopilares de nitruro de galio como la lámina de silicio transportan fonones, pero los que están dentro de los nanopilares son ondas estacionarias, inmovilizadas por las paredes de las diminutas columnas de forma muy parecida a como una cuerda de guitarra vibratoria se mantiene fija en ambos extremos.
La interacción entre los fonones que viajan en la lámina de silicio y las vibraciones en los nanopilares ralentizan los fonones que viajan, lo que dificulta que el calor pase a través del material. Esto reduce la conductividad térmica, aumentando así la diferencia de temperatura de un extremo al otro. Igual de importante, la interacción de fonones logra esta hazaña mientras deja sin cambios la conductividad eléctrica de la lámina de silicio.
El equipo ahora está trabajando en estructuras fabricadas completamente de silicio y con una mejor geometría para la recuperación de calor termoeléctrico. Los investigadores esperan demostrar una tasa de conversión de calor a electricidad lo suficientemente alta como para que su técnica sea económicamente viable para la industria.
Esta investigación fue financiada en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Energía-Energía.
Papel: Bryan T. Spann, Joel C. Weber, Matt D. Brubaker, Todd E. Harvey, Lina Yang, Hossein Honarvar, Chia-Nien Tsai, Andrew C. Treglia, M. Lee, Mahmoud I. Hussein y Kris A. Bertness. Propiedades térmicas y eléctricas de semiconductores desacopladas por resonancias de fonones localizadas. Materiales Avanzados . Publicado en línea el 23 de marzo de 2023. DOI: 10.1002/adma.202209779
ABARCA ESTOS RUBROS Medio ambiente , Clima , Salud ambiental , Nanotecnología , Nanofabricación / fabricación , Nanomateriales , Física , Materia condensada y Termodinámica.
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