Nace una nueva generación de materiales termoeléctricos

Un mayor conocimiento de los fenómenos implicados en el funcionamiento de los materiales termoeléctricos podría desembocar en el nacimiento de una nueva generación de dispositivos capaces de transformar calor en electricidad. Así lo establece una investigación desarrollada en el Oak Ridge National Laboratory, que depende del Departamento de Energía estadounidense.

El avance se relaciona directamente con el análisis del comportamiento de los neutrones y otras cuestiones inherentes a la dinámica atómica ligada a los procesos de conductividad térmica. Hasta el momento, las incógnitas sobre el origen microscópico de la conductividad térmica eran un freno para la obtención de nuevos avances en la materia.

Sin embargo, el trabajo de los ingenieros e investigadores del Oak Ridge National Laboratory parece haber superado varios escollos en este punto. La investigación fue difundida a través de una nota de prensa de dicho centro, y también fue el tema central de un artículo publicado recientemente en el medio especializado Nature Materials.

Los especialistas realizaron experimentos en las instalaciones del ORNL, mayormente mediante técnicas como la espalación de neutrones y el empleo del reactor de isótopos de alto flujo (High Flux Isotope Reactor - HFIR), una de las tecnologías que destacan al Oak Ridge National Laboratory.

Resuelto el misterio microscópico

El objetivo de estas investigaciones fue en principio determinar por qué el telururo de plomo presenta una estructura molecular similar a la sal de mesa común y, al mismo tiempo, alcanza una pérdida de calor muy baja, una característica que lo transforma en un material termoeléctrico eficiente.

Según Olivier Delaire, investigador del ORNL y uno de los directores del grupo de investigación, la comprensión de los fenómenos microscópicos ligados a la conductividad térmica, que hasta hoy son una incógnita en muchas aristas para la ciencia, podría desembocar en el diseño de materiales que se desempeñen mejor en la conversión de calor en electricidad.

Es así que la investigación encarada permitió descubrir que los fonones, cuasipartículas de vibración microscópica que se generan en redes cristalinas, son los principales responsables de la alteración de la dinámica atómica relacionada con el transporte de la energía térmica en el telururo de plomo.

Gracias a este descubrimiento, los ingenieros e investigadores creen que es posible realizar diferentes variaciones en la composición microscópica del telururo de plomo para lograr optimizar sus condiciones en términos de conductividad térmica. De esta forma, podrían generarse nuevos avances en este segmento, de gran importancia en distintas ramas de la industria.

Nuevas aplicaciones sin límite

Al lograr controlar la conductividad térmica en los materiales termoeléctricos, menos energía se dispersa y más calor se puede dirigir justamente a la generación energética. Hoy en día, los materiales termoeléctricos se usan para alimentar sondas espaciales que exploran zonas lejanas del sistema solar, por ejemplo.

Pero nuevos y avanzados materiales termoeléctricos se podrían utilizar para desarrollar aplicaciones en muchas otras áreas, como por ejemplo sistemas de escape de vehículos automotores que conviertan el calor del escape en electricidad, reduciendo así la necesidad de alternadores.

Por otro lado, una nueva generación de materiales termoeléctricos también podría ayudar a concentrar la energía solar para la generación de energía de forma sostenible, y además recuperar el calor residual de procesos industriales, con la posibilidad de reutilizarlo y reciclarlo para distintas aplicaciones.

La investigación ha permitido determinar, en consecuencia, el origen microscópico de la baja conductividad térmica del telururo de plomo, abriendo un nuevo camino para su uso en dispositivos termoeléctricos. Este trabajo fue financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, como parte del Solid-State Solar-Thermal Energy Conversion Center (S3TEC), del Energy Research Frontier Center.