Según una estimación oficial, Fabricación americana, transporte, Los consumidores residenciales y comerciales usan solo alrededor del 40 por ciento de la energía que consumen, desperdiciando el 60 por ciento. Muy a menudo, esta energía desperdiciada se escapa en forma de calor, o energía térmica, de tecnología ineficiente que no logra cosechar ese poder potencial.

Ahora, un equipo de la Universidad de Massachusetts Amherst dirigido por el químico Dhandapani Venkataraman, "DV, "y el ingeniero eléctrico Zlatan Aksamija, informe este mes en Comunicaciones de la naturaleza en un avance que perfilan hacia más eficientes, más económico, Cosecha de energía térmica basada en polímeros.

"Será una sorpresa para el campo, "DV predice, "nos da otra variable clave que podemos modificar para mejorar la eficiencia termoeléctrica de los polímeros. Esto debería hacernos, y otros, mire la termoeléctrica de polímeros bajo una nueva luz ".

Aksamija explica, "El uso de polímeros para convertir energía térmica en electricidad mediante la recolección de calor residual ha experimentado un aumento en el interés en los últimos años. El calor residual representa tanto un problema como un recurso; cuanto más calor desperdicia su proceso, menos eficiente es. "La recolección de calor residual es menos difícil cuando hay un local, fuente de gradiente de alta temperatura para trabajar, él añade, como una fuente de calor de alto grado como una central eléctrica.

Los polímeros termoeléctricos son menos eficientes en la recolección de calor en comparación con los rígidos, métodos inorgánicos costosos de producir que, sin embargo, son bastante eficientes, Aksamija agrega, pero vale la pena buscar polímeros porque son más baratos de producir y pueden recubrirse con materiales flexibles, para envolver alrededor de la chimenea de escape de una planta de energía, por ejemplo.

Recientemente, Los científicos han abordado este obstáculo con un proceso llamado "dopaje". Con eso, Los investigadores mezclan componentes químicos u otros en polímeros para mejorar su capacidad de mover cargas eléctricas y aumentar la eficiencia. DV dice, "Imagina que agregamos chispas de chocolate, un material que mejora la conductividad, a una galleta. Eso es dopaje ".

Pero el dopaje implica una compensación, Añade Aksamija. Puede alcanzar más corriente y menos voltaje inducido térmicamente, o más voltaje y menos corriente, pero no ambos. "Si mejora una propiedad, haces que el otro empeore, " el explica, "y puede requerir mucho esfuerzo decidir el mejor equilibrio, "o dopaje óptimo.

Para abordar esto, DV y su doctorado en química. estudiante Connor Boyle, con Aksamija y su doctorado en ingeniería eléctrica. La estudiante Meenakshi Upadhyaya trabajó en lo que DV llama "una verdadera colaboración, "donde cada conocimiento de las simulaciones numéricas informó la próxima serie de experimentos, y viceversa.

Los químicos realizaron experimentos, mientras que el equipo de ingeniería realizó análisis de eficiencia a lo largo de la curva desde "dopaje cero" hasta "dopaje máximo" para identificar el mejor equilibrio para muchos materiales diferentes. Para la gran cantidad de simulaciones que ejecutaron para probar cientos de escenarios, utilizaron el Massachusetts Green High Performance Computing Center en las cercanías de Holyoke.

Dice Aksamija. "Ahora podemos decirte, para cada material dado, cuál es el equilibrio óptimo de las dos propiedades, y por un tiempo la gente estaba satisfecha con solo saber eso ". Pero a lo largo del camino, él añade, descubrieron una variable completamente nueva que aún no se había tenido en cuenta, uno que resultó ser crítico para la capacidad del polímero dopado de recolectar energía térmica de manera eficiente.

Él dice, "El análisis original no abordó la cuestión de la posición de los componentes del dopaje, si los materiales se aglutinan o no y cuánto se aglutinan, o racimo, como lo llamamos. Resulta que la agrupación es una variable crítica ". El equipo se dirigió al químico Michael Barnes, un coautor de su artículo reciente, que utilizaron la microscopía de fuerza de sonda Kelvin para sondear los dopantes en el nivel nano y demostrar que el agrupamiento está realmente presente en los polímeros dopados a temperatura ambiente, pero no a temperaturas más altas.

Con esa confirmación, los investigadores recurrieron al modelado de una curva de compensación ampliada, dice Upadhyaya. Desde su modelado teórico, ella y Aksamija descubrieron que la agrupación altera la forma de esa curva. Para mejorar la eficiencia más allá de la compensación corriente-voltaje, uno debe mover toda la curva de compensación, ella dice.

Este hallazgo inesperado debería proporcionar un nuevo camino para diseñar polímeros más eficientes para dispositivos termoeléctricos, dicen los investigadores. DV señala que hasta ahora, Los químicos y los científicos de materiales han estado tratando de organizar los polímeros para que se parezcan más a los inorgánicos, "bien alineado y muy regular, que es dificil de hacer, ", agrega." Resulta que este puede no ser el camino a seguir; puede tomar otro camino u otro enfoque. Esperamos que este documento proporcione una base para hacer avanzar la termoeléctrica basada en polímeros ".