Casi el 70 por ciento de la energía producida en los Estados Unidos cada año se desperdicia en forma de calor. Gran parte de ese calor es inferior a 100 grados Celsius y emana de cosas como computadoras, automóviles o grandes procesos industriales. Ingenieros de la Universidad de California, Berkeley, han desarrollado un sistema de película delgada que se puede aplicar a fuentes de calor residual como estas para producir energía a niveles sin precedentes para este tipo de tecnología.

El sistema de película delgada utiliza un proceso llamado conversión de energía piroeléctrica, que el nuevo estudio de los ingenieros demuestra que es muy adecuado para aprovechar los suministros de energía de calor residual por debajo de los 100 grados Celsius, llamado calor residual de baja calidad. Conversión de energía piroeléctrica, como muchos sistemas que convierten el calor en energía, funciona mejor con ciclos termodinámicos, algo así como cómo funciona el motor de un automóvil. Pero a diferencia del motor de su automóvil, La conversión de energía piroeléctrica se puede realizar completamente en estado sólido sin partes móviles, ya que convierte el calor residual en electricidad.

Los nuevos resultados sugieren que esta tecnología nanoscópica de película delgada podría ser particularmente atractiva para instalar y recolectar el calor residual de la electrónica de alta velocidad, pero podría tener una amplia gama de aplicaciones. Para fuentes de calor fluctuantes, el estudio informa que la película delgada puede convertir el calor residual en energía utilizable con mayor densidad de energía, densidad de potencia y niveles de eficiencia que otras formas de conversión de energía piroeléctrica.

"Sabemos que necesitamos nuevas fuentes de energía, pero también debemos hacer un mejor uso de la energía que ya tenemos, "dijo el autor principal Lane Martin, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales. "Estas películas delgadas pueden ayudarnos a exprimir más energía de la que sacamos hoy de cada fuente de energía".

La investigación se publicará el 16 de abril en la revista Materiales de la naturaleza . La investigación fue apoyada, en parte, por subvenciones de la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación Nacional de Ciencias.

El comportamiento piroeléctrico se conoce desde hace mucho tiempo, pero medir con precisión las propiedades de las versiones de película delgada de los sistemas piroeléctricos sigue siendo un desafío. Una contribución significativa del nuevo estudio es desmitificar ese proceso y mejorar la comprensión de la física piroeléctrica.

El equipo de investigación de Martin sintetizó versiones de película delgada de materiales de solo 50-100 nanómetros de espesor y luego, junto con el grupo de Chris Dames, profesor asociado de ingeniería mecánica en Berkeley, fabricó y probó las estructuras del dispositivo piroeléctrico basadas en estas películas. Estas estructuras permiten a los ingenieros medir simultáneamente la temperatura y las corrientes eléctricas creadas, y fuente de calor para probar las capacidades de generación de energía del dispositivo, todo en una película de menos de 100 nanómetros de espesor.

"Al crear un dispositivo de película fina, podemos hacer que el calor entre y salga de este sistema rápidamente, permitiéndonos acceder a energía piroeléctrica a niveles sin precedentes para fuentes de calor que fluctúan con el tiempo, ", Dijo Martin." Todo lo que estamos haciendo es generar calor y aplicar campos eléctricos a este sistema, y podemos extraer energía ".

Este estudio reporta nuevos registros de densidad de energía de conversión de energía piroeléctrica (1.06 julios por centímetro cúbico), densidad de potencia (526 vatios por centímetro cúbico) y eficiencia (19 por ciento de la eficiencia de Carnot, que es la unidad de medida estándar para la eficiencia de un motor térmico).

Los próximos pasos en esta línea de investigación serán optimizar mejor los materiales de película delgada para corrientes y temperaturas de calor residual específicas.

"Parte de lo que estamos tratando de hacer es crear un protocolo que nos permita empujar los extremos de los materiales piroeléctricos para que usted pueda darme una corriente de calor residual y yo pueda conseguirle un material optimizado para abordar sus problemas". "Dijo Martin.