Los generadores termoeléctricos que pueden convertir el calor residual en energía limpia pronto podrían ser tan eficientes como otras fuentes de energía renovables, como la solar, según un equipo dirigido por científicos de Penn State.

Utilizando materiales de alta entropía, los investigadores crearon materiales termoeléctricos más eficientes de lo que antes era posible, un avance que, según dijeron, podría incluso ayudar a hacer posible la exploración espacial a larga distancia.Ellospublicadosus resultados en la revistaJoule.

Dispositivos termoeléctricos, incluido el radioisótopo.generadores termoeléctricosque producen energía para los vehículos de exploración espacial de la NASA, pueden convertir diferencias de temperatura en electricidad.Cuando se colocan cerca de unfuente de calorâcomo una tubería de vapor en una central eléctrica, los portadores de carga, como los electrones, se mueven del lado caliente al lado frío, produciendo una corriente eléctrica.

Los dispositivos actualmente disponibles comercialmente cuentan con una eficiencia del 5% al ​​6%.Los investigadores utilizaron su nuevo enfoque de fabricación para crear un prototipo que alcanzó una eficiencia de conversión del 15 %.La eficiencia mejorada significa que los dispositivos existentes podrían reducirse en un 200% y seguir produciendo la misma energía, o que un dispositivo del mismo tamaño podría producir un 200% de energía, dijeron los investigadores.

"Estos hallazgos muestran una nueva dirección en cómo podemos mejorar los dispositivos termoeléctricos para que sean realmente eficientes", dijo Bed Poudel, profesor de investigación en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Penn State y coautor del estudio."Nuestro trabajo proporciona una nueva vía hacia la creación de materiales termoeléctricos muy interesantes y podría conducir a avances aún mayores en el futuro desarrollo de materiales".

El equipo de Penn State anteriormentealeaciones semi-Heusler usadasâuna clase especial de materiales que son buenos para generar energía termoeléctrica a temperaturas medias-altasâpara mejorar el rendimiento del dispositivo.Estos materiales suelen ser aleaciones hechas de tres elementos metálicos, a veces con dopantes o pequeñas cantidades de otros materiales añadidos para mejorar el rendimiento.

En el nuevo trabajo, los científicos recurrieron a materiales semiHeusler de alta entropía.Estas aleaciones, que están hechas de al menos cinco elementos principales en una única estructura cristalina, cuentan con las mismas propiedades que se encuentran en los materiales mitad Heusler pero mejoradas.

"Lo que hicimos en este trabajo fue integrar con éxito la ingeniería de alta entropía en un sistema medio Heusler", dijo Wenjie Li, profesora de investigación asociada en Penn State y coautora correspondiente del estudio.

"Con los compuestos convencionales, es posible que tenga 100 opciones para crear diferentes composiciones químicas. Pero cuando utilizamos el concepto de alta entropía, podemos crear tal vez miles de composiciones químicas para alterar las propiedades del material".

Los científicos dijeron que el uso de materiales de alta entropía con más átomos significa que las estructuras cristalinas están más desordenadas yportadores de cargatardan más en moverse a través del material, lo que reduce su conductividad térmica.Los átomos adicionales se seleccionan de tal manera que el material mantenga un factor de potencia más alto, una medida de la eficiencia con la que un sistema eléctrico puede convertir energía en trabajo útil.

"En este concepto, podemos mantener simultáneamente un factor de potencia alto y obtener una conductividad térmica baja para maximizar la figura de mérito, que es una medida de la efectividad de los materiales", dijo Subrata Ghosh, investigador postdoctoral en Penn State y líderautor del estudio.

"La ingeniería de alta entropía se puede incorporar a enfoques convencionales para mejorar aún más la figura de mérito en cualquier clase de materiales termoeléctricos".

El nuevo material termoeléctrico alcanzó una cifra récord de mérito de 1,50 con un cambio de temperatura de 1.060 grados Kelvin, o aproximadamente 1.448 grados Fahrenheit.Eso representa un aumento del 50% con respecto a los materiales de vanguardia actuales, dijeron los científicos.

"Los materiales de alta entropía se utilizan a menudo en aplicaciones refractarias de alta temperatura comomotores a reaccióno vehículos hipersónicos, pero esta es la primera vez que se han utilizado para desarrollar un sistema termoeléctrico medio Heusler superior", dijo Li.

El trabajo tiene implicaciones para la creación de dispositivos más eficientes paracalor residualrecuperación en entornos industriales.Recuperar este calor residual y utilizarlo para producir electricidad puede reducir el consumo de combustibles fósiles.Y como no tienen partes móviles y no producen reacciones químicas ni emisiones,dispositivos termoeléctricosofrecen una fuente prometedora de energía limpia, dijeron los científicos.

Los dispositivos termoeléctricos se parecen a una mesa con dos patas: una hecha de material semiconductor tipo p y otra de material semiconductor tipo n.El estudio actual sólo se aplica a latipo pmaterial, y los científicos dijeron que un trabajo adicional para aplicar esto al tipo n podría resultar en aumentos adicionales en la eficiencia."Si podemos implementar esto en una clase más amplia de materiales termoeléctricos y seguir obteniendo buenas cifras de mérito, realmente podemos impulsar la eficiencia de conversión hacia el 20% o más", afirmó Poudel.

"Eso sería muy competitivo con la energía solar u otras tecnologías para la generación de energía de estado sólido. Esa es la parte emocionante: ver a qué puede conducir esto en el futuro desarrollo de materiales".

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