Si los materiales termoeléctricos pueden convertir el calor de bajo grado en electricidad, Es posible que nunca más necesitemos cargar tecnología portátil en casa.

Por la noche, la mayoría de nosotros conectamos un revoltijo de cables y dispositivos mientras cargamos nuestros relojes inteligentes, teléfonos y rastreadores de actividad física. Es una pila que es poco probable que se haga más pequeña a medida que más y más tecnología portátil ingrese a nuestras vidas. Los fabricantes y los futuristas predicen que pronto serán autosuficientes energéticamente y que nos libraremos de su lío. Pero la pregunta sigue siendo:¿cómo? Por el momento, las únicas fuentes de energía portátiles importantes son los cargadores solares, pero estos tienen limitaciones significativas tanto en interiores como después del anochecer.

Kedar Hippalgaonkar, Jianwei Xu y sus compañeros de trabajo en el Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales (IMRE) de A * STAR creen que pronto podrían usar calor residual de bajo grado, como los gases de escape de los automóviles o el calor corporal, para alimentar dispositivos.

"Se está vertiendo una enorme cantidad de calor residual de baja calidad al medio ambiente", dice Hippalgaonkar. Convertir este calor en electricidad es una gran oportunidad que no debe perderse.

Los generadores termoeléctricos de alta temperatura ya son una fuente clave de energía para los instrumentos espaciales. El rover de Marte, Curiosidad, y la sonda espacial interestelar, Voyager 2, Aproveche el calor nuclear de larga duración. Este último ha estado funcionando con este tipo de energía durante más de 40 años. "La generación de energía termoeléctrica no es una idea nueva, ", explica Hippalgaonkar." Se ha investigado desde la década de 1950 y ha habido mucha investigación sobre nuevos materiales, pero en el pasado la mayor parte del trabajo se enfocaba en tóxicos, Materiales inorgánicos y aplicaciones con altas temperaturas de funcionamiento ".

Hippalgaonkar está de acuerdo en que la proliferación de dispositivos de Internet de las cosas ahora trae consigo una demanda de productos no tóxicos, fuentes de energía portátiles. Los futuros sensores corporales y dispositivos portátiles podrían usarse constantemente si aprovecharan el calor corporal para ser autosuficientes en energía. "Pero para hacer eso, necesitamos desarrollar nuevos materiales termoeléctricos adecuados que sean eficientes a temperaturas más bajas, no tóxico y barato de producir ".

La otra gran oportunidad es aprovechar el calor residual que sale a través del escape del motor de los automóviles. aviones o barcos, él añade. A continuación, la electricidad generada podría devolverse al vehículo, disminuyendo su huella ambiental.

El proyecto PHAROS de A * STAR se centra en los materiales que harán posibles estos generadores termoeléctricos. El proyecto de cinco años comenzó en 2016 y tiene como objetivo encontrar una composición de material que no sea tóxica y, idealmente, Tierra abundante (haciéndola barata), eficiente, y fácil de fabricar. Para ello están desarrollando materiales híbridos menos tóxicos que combinan elementos orgánicos e inorgánicos, y están persiguiendo a aquellos con potencial para la generación de energía termoeléctrica a baja temperatura.

El proyecto reúne a Hippalgaonkar, un físico de estado sólido y un experto en el comportamiento de fonones, fotones y electrones en materiales a nanoescala y 2-D, y Jianwei Xu, un químico con una amplia experiencia en investigación en materiales orgánicos, especialmente polímeros semiconductores.

Reducir el calor de la energía térmica

Para cargar dispositivos personales con materiales termoeléctricos, un generador aprovecha el efecto Seebeck, en el que una diferencia de temperatura crea un voltaje eléctrico en la unión entre dos materiales diferentes (a menudo, pero no exclusivamente semiconductores dopados con p y n). Este voltaje se puede utilizar para impulsar un dispositivo o cargar una batería.

Hasta la fecha, los materiales termoeléctricos mejor establecidos y exitosos se han basado en telururos metálicos, incluyendo telururo de plomo y telururo de bismuto. Estos están disponibles comercialmente y se han aprovechado como fuente de energía en el espacio, donde pueden generar electricidad localmente para alimentar satélites y sondas espaciales. Pero solo funcionan bien a altas temperaturas, y en el espacio se utiliza un isótopo nuclear a bordo para generar este calor y crear una alta diferencia de temperatura. El enfoque puede actuar a largo plazo, fuente de energía local, pero los riesgos potenciales para la salud de la radiación nuclear significan que no es adecuada para muchas aplicaciones terrestres.

"Hay una falta de materiales eficientes que operen alrededor de la temperatura ambiente y eso es lo que queremos abordar con el proyecto PHAROS, "dice Xu. Sin embargo, es una tarea desafiante identificar nuevos materiales termoeléctricos candidatos, Fórmelos y luego comprenda lo que está sucediendo para cargar transferencias dentro de ellos.

Hasta la fecha, El equipo de PHAROS ha estado explorando una amplia variedad de polímeros semiconductores conjugados (como polianilina, P3HT o PEDOT:PSS) para el componente orgánico de sus híbridos, que luego se combinan con un componente inorgánico hecho de, decir, nanocables de telurio, nanopartículas de silicio o materiales 2-D como MoS2, MoS2. Con estos, han investigado el uso de nanotubos de carbono como aditivo.

El equipo también ha explorado el potencial termoeléctrico de las perovskitas de yoduro de metilamonio y plomo1, un sistema de material híbrido inorgánico-orgánico que ha saltado a la fama en los últimos años tras su uso exitoso en células solares. Este material híbrido compite con el silicio en términos de eficiencia de conversión de energía. La gran ventaja de utilizar un sistema parcialmente orgánico es que se adapta al procesamiento de la solución, que produce una gran superficie, delgada, materiales flexibles que podrían imprimirse por inyección de tinta a bajo costo.

Sin embargo, para que un material termoeléctrico funcione bien, idealmente debe tener un coeficiente de Seebeck alto, lo cual es indicativo de qué tan grande será el voltaje generado para una diferencia de temperatura dada. Y también es importante que el material tenga una alta conductividad eléctrica para permitir que la carga fluya fácilmente. junto con baja conductividad térmica para soportar el gradiente de temperatura en su lugar.

"Es muy difícil lograr estos atributos simultáneamente, ", dice Hippalgaonkar." Lo ideal es encontrar un material que combine la baja conductividad térmica de la madera con la alta conductividad eléctrica de un metal y eso no es fácil de hacer ".

Materiales con una puntuación perfecta

Para facilitar las comparaciones entre materiales, algo llamado 'valor ZT' se desarrolló para tener en cuenta el coeficiente de Seebeck, conductividad térmica, conductividad eléctrica y temperatura. "Realmente queremos algo que tenga un ZT de aproximadamente 1, "dice Xu, aunque un número ZT tan alto no es necesario para muchos usos. En el presente, se puede lograr un 1 en telururo de bismuto y telururo de plomo, pero ambos materiales son tóxicos, caro de fabricar y rígido.

Recientemente, El equipo de PHAROS ha desarrollado un material más seguro que es del 10 al 20% del camino hacia un cuadro de mando termoeléctrico perfecto. Lo hicieron en colaboración con investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), con sede en EE. UU., Optimizando un sistema de materiales que combina un polímero conjugado cuidadosamente diseñado con nanocables de telurio. En todo alentador, Se han alcanzado valores de ZT de aproximadamente 0,1-0,22.

Este descubrimiento fue ayudado por Shuo-Wang Yang en el Instituto de Computación de Alto Rendimiento en A * Star y su equipo, quien ayudó a explicar las interacciones entre los componentes orgánicos e inorgánicos de los materiales preparados por el equipo de Jeff Urban en LBNL. Con trabajo experimental y teórico realizado por el equipo de Hippalgaonkar, la física de cómo fluye la carga en estos materiales complejos se detalló por primera vez, sentando una base sólida para el desarrollo futuro.

"Es muy importante estudiar la interfaz entre la interfaz orgánica e inorgánica, "Explica Hippalgaonkar. La física de cómo se mueve la carga a través de un paisaje tan complejo es muy difícil de entender".

"Thermoelectric podrá brindarle la oportunidad de realizar sensores autoalimentados más rápido, ", dice Hippalgaonkar. Los monitores de frecuencia cardíaca, por ejemplo, tienen necesidades de energía muy modestas, en la escala de unos pocos cientos de microvatios. Un material con un ZT de 1 que opera con una diferencia de temperatura de aproximadamente 10 ° C a temperatura ambiente genera aproximadamente 50 microvatios por centímetro cuadrado, y, En teoria, El material más reciente de PHAROS podría alcanzar 10 microvatios por centímetro cuadrado. Entonces, La energía termoeléctrica portátil a pequeña escala ya está tentadoramente cerca de la realidad, Dice Hippalgaonkar. Y una vez que su promesa comercial comienza a entrar en juego, su trabajo solo se acelerará.

Explicación de los generadores termoeléctricos

Un generador termoeléctrico (TEG) es un dispositivo que convierte una diferencia de temperatura en un voltaje, y gestiona el flujo de corriente eléctrica alrededor de un circuito. Es un medio para convertir el calor residual en electricidad. Dichos dispositivos funcionan debido al efecto Seebeck, que fue descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck en 1821.

Un TEG se fabrica típicamente mediante el uso de semiconductores dopados de tipo py n para crear dos rutas que se conectan a electrodos metálicos de diferentes temperaturas, uno caliente un resfriado. El efecto Seebeck significa que los agujeros (portadores de carga eléctrica positiva) en el material de tipo p y los electrones (portadores de carga negativa) en el material de tipo n se difunden desde el electrodo caliente al electrodo frío, produciendo así un flujo de voltaje y corriente. El proceso también se puede operar a la inversa, cuando se conoce como efecto Peltier y la inyección de una corriente eléctrica induce el enfriamiento en la unión del material. Neveras termoeléctricas, también conocidos como refrigeradores Peltier, se utilizan a menudo en dispositivos a pequeña escala para controlar la temperatura de dispositivos electrónicos y optoeléctricos sensibles, como diodos láser y fotodetectores.