(Phys.org) —Actualmente, hasta el 75% de la energía generada por el motor de un automóvil se pierde como calor residual. En teoria, parte de este calor residual se puede convertir en electricidad mediante dispositivos termoeléctricos, aunque hasta ahora la eficiencia de estos dispositivos ha sido demasiado baja para permitir una comercialización generalizada.

Ahora en un nuevo estudio, Los físicos han demostrado que un dispositivo termoeléctrico hecho de nanocables puede lograr una eficiencia lo suficientemente alta como para ser competitivo industrialmente. potencialmente conduciendo a mejoras en el ahorro de combustible y otras aplicaciones.

Los científicos, Khandker A. Muttalib y Selman Hershfield, ambos profesores de física de la Universidad de Florida en Gainesville, han publicado un artículo sobre el nuevo dispositivo termoeléctrico en un número reciente de Revisión física aplicada .

Además de recuperar energía del calor residual en los motores de combustión de los vehículos, Los dispositivos termoeléctricos también podrían realizar funciones similares en los motores de los barcos, así como en centrales eléctricas, refinerías de fabricación, y otros lugares que producen grandes cantidades de calor residual.

En su papel los científicos explican que el uso de materiales a granel en dispositivos termoeléctricos ha resultado ser inherentemente ineficiente, pero los materiales de nanoingeniería parecen ser más prometedores. El nuevo dispositivo consta simplemente de dos cables grandes a diferentes temperaturas conectados por varios cables que no interactúan, nanocables muy delgados. Cada nanoalambre transmite corriente desde el cable más caliente al cable más frío, y muchos nanocables en paralelo pueden escalar la potencia a niveles altos.

Uno de los mayores desafíos que enfrentan los dispositivos termoeléctricos es que las condiciones que optimizan la eficiencia y la salida de potencia de un dispositivo son diferentes para diferentes gradientes de temperatura entre los dos cables, así como para diferentes cargas eléctricas (cuánta energía se consume en un momento dado). Debido a esta complejidad, Es posible que el dispositivo óptimo para un gradiente de temperatura y una carga en particular no funcione tan bien para un gradiente de temperatura o carga diferente.

Los investigadores aquí encontraron una forma de solucionar este problema aplicando un voltaje a los nanocables, lo que permite que la energía se transmita a lo largo de los nanocables solo a energías superiores a un cierto valor. Este valor depende del gradiente de temperatura y la carga, que varían, pero el voltaje aplicado también se puede variar para ajustar la transmisión de potencia y optimizar simultáneamente la potencia y la eficiencia del dispositivo.

El uso de nanocables para conectar los cables también tiene una ventaja práctica en comparación con el uso de otros materiales. Si bien muchos otros materiales candidatos son difíciles de fabricar de manera confiable, los nanocables se pueden fabricar de forma fiable y controlable, lo cual es importante para realizar las dimensiones óptimas precisas.

Aunque el análisis teórico de los físicos sugiere que el dispositivo propuesto podría tener ventajas de rendimiento significativas sobre los dispositivos actuales, advierten que es demasiado pronto para hacer estimaciones definitivas.

"Cualquier estimación en este punto va a ser poco fiable porque hay tantas formas de perder calor en cualquier dispositivo práctico que nuestra propuesta teórica no tiene en cuenta". "Muttalib dijo Phys.org . "Incluso entonces, Dimos una estimación muy cruda en nuestro artículo donde tanto la eficiencia como la salida de potencia pueden ajustarse (con un voltaje de puerta) para que sean significativamente mayores que cualquier dispositivo comercial actualmente disponible. Nótese que existen otras propuestas teóricas con gran eficiencia pero sin potencia suficiente, y por lo tanto no es prácticamente utilizable ".

Más importante, los físicos esperan que las nuevas ideas presentadas aquí puedan inspirar nuevas formas de pensar sobre la tecnología termoeléctrica.

"Quizás el mayor significado es un posible cambio de paradigma en el diseño de dispositivos termoeléctricos, "Muttalib dijo." Actualmente, el foco de la comunidad está abrumadoramente en el llamado régimen de 'respuesta lineal' (donde la temperatura y los gradientes de voltaje a través del material que conecta los cables fríos y calientes son pequeños); el rendimiento de tales dispositivos depende únicamente de las propiedades del material de conexión. Esto ha mantenido los esfuerzos actuales limitados a encontrar o diseñar un "buen" material termoeléctrico. Nuestro trabajo sugiere que, en el régimen 'no lineal', el rendimiento del dispositivo también depende fundamentalmente de los parámetros de los cables y las cargas; la optimización del rendimiento en tales casos tiene muchas más posibilidades interesantes que explorar ".

Aunque este trabajo ofrece muchas nuevas direcciones posibles para futuras investigaciones, Muttalib y Hershfield esperan que sean otros científicos los que hagan avanzar la tecnología.

"Los dos somos físicos teóricos que investigan en ciencias básicas, y, en particular, no somos expertos en tecnología de dispositivos, "Dijo Muttalib." Nos topamos con la idea actual al tratar de comprender los efectos de la respuesta no lineal en el transporte de electrones en nano sistemas. Esperamos que los experimentadores e ingenieros de dispositivos encuentren nuestro trabajo interesante y lo sigan para construir un dispositivo real. Nuestro próximo plan en esta área general es comprender, de nuevo a un nivel teórico muy fundamental, los efectos de fonones o vibraciones de celosía en nano sistemas en general; se sabe que estos efectos también son importantes para los dispositivos termoeléctricos ".

El dispositivo termoeléctrico basado en nanocables no es el único nuevo diseño termoeléctrico que ha aparecido recientemente. En el mismo número de Revisión física aplicada , Riccardo Bosisio, et al., en el Service de Physique de l'Etat Condensé en Francia han desarrollado un dispositivo termoeléctrico en el que los electrones viajan a través de los nanocables mediante "saltos asistidos por fonones, "donde los fonones son vibraciones que transportan calor.

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