Los materiales termoeléctricos convierten el calor en electricidad o viceversa. Sin embargo, su aplicación para recolectar el calor residual está limitada por desafíos en la fabricación y los materiales. Encontrar formas rentables de cubrir superficies grandes y potencialmente complejas sigue siendo un problema, pero es fundamental para aprovechar las fuentes de calor residual.

Los científicos de materiales del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han utilizado una técnica de fabricación aditiva, llamada deposición por aspersión fría, para crear generadores termoeléctricos que puedan recolectar el calor residual de fuentes previamente inaccesibles, como tuberías con geometrías complejas. Los generadores muestran un buen rendimiento en un amplio rango de temperaturas.

El calor residual es un recurso enorme sin explotar. Trece cuatrillones de BTU de energía se pierden anualmente a través del calor residual de la industria estadounidense. Un BTU, o Unidad Térmica Británica, es una unidad de medida de energía; 3, 600 BTU es equivalente a aproximadamente 1 kilovatio-hora.

Pero solo se recuperan tres cuádruples de BTU y se ponen en funcionamiento mediante la coubicación de procesos, recuperación de energía mediante calderas y recuperación termoeléctrica. Un desafío en la recolección de energía es diseñar un generador que pueda recolectar el calor de manera eficiente. Para que un material termoeléctrico sea eficaz, debe convertir el gradiente de temperatura en voltaje. También requiere una alta conductividad eléctrica, pero baja conductividad térmica.

En la nueva investigación, apareciendo en el Diario de los minerales, Sociedad de Metales y Materiales ( JOM ), El equipo roció en frío un polvo de telururo de bismuto sobre sustratos que van desde acero inoxidable hasta silicato de aluminio y cuarzo. El material pulverizado tenía una microestructura orientada aleatoriamente en gran parte libre de poros y la deposición por pulverización fría se logró sin cambios sustanciales de composición.

"Estos resultados demuestran el poder y la versatilidad de la fabricación de aditivos por aspersión en frío y brindan un camino hacia la fabricación de generadores termoeléctricos en geometrías complejas que son inaccesibles para los generadores fabricados con métodos tradicionales". "dijo el físico de materiales de LLNL Alex Baker, autor principal del artículo.

La deposición de revestimientos por pulverización fría se utiliza ampliamente en la industria para revestimientos resistentes a la corrosión, funcionalización superficial y reparación localizada. En esta técnica, Las partículas metálicas de escala micrométrica se arrastran en gas supersónico y se dirigen a una superficie metálica. Tras el impacto, las partículas se deforman plásticamente y se unen con la superficie o entre sí.

El rociado en frío se ha limitado típicamente a materiales maleables, haciéndolo muy adecuado para elementos estructurales y aleaciones, pero no está bien equipado para materiales funcionales, que son típicamente frágiles. En colaboración con el socio industrial TTEC Thermoelectric Technologies, LLNL está trabajando para ampliar la gama de materiales que se pueden rociar en frío como parte del programa de Fondos de Comercialización de Tecnología (TCF) financiado por el Departamento de Energía.

"El spray frío funciona a temperaturas comparativamente bajas, debajo del punto de fusión de la mayoría de los materiales funcionales, por lo que es atractivo considerar la posibilidad de una técnica de fabricación aditiva que preserve la microestructura a medida que impulsa las propiedades funcionales, "Dijo Baker.

Los generadores termoeléctricos (TEG) no tienen partes móviles, no se basan en reacciones químicas y tienen una larga vida útil sin requisitos de mantenimiento, haciéndolos excelentes candidatos para fuentes de energía en lugares remotos o inaccesibles. Hasta la fecha, la adopción de TEG para recolectar el calor residual ha sido limitada, en parte debido a la dificultad de fabricar piezas que hacen un contacto térmico íntimo con las aletas de enfriamiento o que son irradiadas por las tuberías de transferencia.

El equipo concluyó que la deposición por aspersión fría puede fabricar piezas a granel de telururo de bismuto termoeléctrico en una amplia variedad de sustratos. sin pérdida de integridad estructural, demostrando que el rociado en frío es una alternativa viable a los enfoques tradicionales de fabricación de materiales termoeléctricos.

"Uno de nuestros objetivos es llevar esta tecnología a LLNL, donde se puede aplicar a una amplia gama de problemas de fabricación aditiva, "dijo Harry Radousky, Investigador principal de TCF.