Dispositivos termoeléctricos, que puede generar energía cuando un lado del dispositivo tiene una temperatura diferente del otro, han sido objeto de muchas investigaciones en los últimos años. Ahora, un equipo del MIT ha ideado una forma novedosa de convertir las fluctuaciones de temperatura en energía eléctrica. En lugar de requerir dos entradas de temperatura diferentes al mismo tiempo, el nuevo sistema aprovecha los cambios de temperatura ambiente que se producen durante el ciclo día-noche.

El nuevo sistema, llamado resonador térmico, podría permitir continuo, años de funcionamiento de sistemas de teledetección, por ejemplo, sin requerir otras fuentes de energía o baterías, dicen los investigadores.

Los hallazgos se publican en la revista. Comunicaciones de la naturaleza , en un artículo del estudiante de posgrado Anton Cottrill, Profesor de Ingeniería Química Carbon P. Dubbs Michael Strano, y otros siete en el Departamento de Ingeniería Química del MIT.

"Básicamente, inventamos este concepto de la nada, "Dice Strano." Hemos construido el primer resonador térmico. Es algo que puede sentarse en un escritorio y generar energía de lo que parece ser nada. Estamos rodeados de fluctuaciones de temperatura de todas las frecuencias diferentes todo el tiempo. Se trata de una fuente de energía sin explotar ".

Si bien los niveles de potencia generados por el nuevo sistema hasta ahora son modestos, la ventaja del resonador térmico es que no necesita luz solar directa; genera energía a partir de cambios de temperatura ambiente, incluso a la sombra. Eso significa que no se ve afectado por cambios a corto plazo en la cobertura de nubes, condiciones del viento, u otras condiciones ambientales, y puede ubicarse en cualquier lugar que sea conveniente, incluso debajo de un panel solar, en perpetua sombra, donde incluso podría permitir que el panel solar sea más eficiente al eliminar el calor residual, dicen los investigadores.

Se demostró que el resonador térmico supera a un tamaño idéntico, material piroeléctrico comercial, un método establecido para convertir las fluctuaciones de temperatura en electricidad, por un factor de más de tres en términos de potencia por área, según Cottrill.

Los investigadores se dieron cuenta de que para producir energía a partir de ciclos de temperatura, necesitaban un material optimizado para una característica poco reconocida llamada efusividad térmica, una propiedad que describe la facilidad con la que el material puede extraer calor de su entorno o liberarlo. La efusividad térmica combina las propiedades de la conducción térmica (qué tan rápido se puede propagar el calor a través de un material) y la capacidad térmica (cuánto calor se puede almacenar en un volumen dado de material). En la mayoría de los materiales, si una de estas propiedades es alta, el otro tiende a ser bajo. Cerámica, por ejemplo, tienen alta capacidad térmica pero baja conducción.

Para evitar esto el equipo creó una combinación de materiales cuidadosamente adaptada. La estructura básica es una espuma de metal, hecho de cobre o níquel, que luego se recubre con una capa de grafeno para proporcionar una conductividad térmica aún mayor. Luego, la espuma se infunde con una especie de cera llamada octadecano, un material de cambio de fase, que cambia entre sólido y líquido dentro de un rango particular de temperaturas elegidas para una aplicación determinada.

Una muestra del material elaborado para probar el concepto mostró que, simplemente en respuesta a una diferencia de temperatura de 10 grados Celsius entre la noche y el día, la pequeña muestra de material produjo 350 milivoltios de potencial y 1,3 milivatios de potencia, suficiente para alimentar de forma sencilla, pequeños sensores ambientales o sistemas de comunicaciones.

"El material de cambio de fase almacena el calor, "dice Cottrill, el autor principal del estudio, "y el grafeno te da una conducción muy rápida" cuando llega el momento de usar ese calor para producir una corriente eléctrica.

Esencialmente, Strano explica, un lado del dispositivo captura el calor, que luego se irradia lentamente hacia el otro lado. Un lado siempre va a la zaga del otro cuando el sistema intenta alcanzar el equilibrio. Esta diferencia perpetua entre los dos lados se puede cosechar a través de termoeléctricos convencionales. La combinación de los tres materiales:espuma metálica, grafeno y octadecano:lo convierte en "el material de mayor efusividad térmica en la literatura hasta la fecha, "Dice Strano.

Si bien la prueba inicial se realizó utilizando el ciclo diario de 24 horas de temperatura del aire ambiente, el ajuste de las propiedades del material podría hacer posible cosechar otros tipos de ciclos de temperatura, como el calor de los ciclos de encendido y apagado de los motores en un refrigerador, o de maquinaria en plantas industriales.

"Estamos rodeados de variaciones y fluctuaciones de temperatura, pero no están bien caracterizados en el entorno, ", Dice Strano. Esto se debe en parte a que no había una forma conocida de aprovecharlos.

Se han utilizado otros enfoques para intentar extraer energía de los ciclos térmicos, con dispositivos piroeléctricos, por ejemplo, pero el nuevo sistema es el primero que se puede ajustar para responder a períodos específicos de variaciones de temperatura, como el ciclo diurno, dicen los investigadores.

Estas variaciones de temperatura son "energía sin explotar, "dice Cottrill, y podría ser una fuente de energía complementaria en un sistema híbrido que, mediante la combinación de múltiples vías para producir energía, podría seguir funcionando incluso si los componentes individuales fallaran. La investigación fue financiada en parte por una subvención de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah de Arabia Saudita (KAUST), que espera usar el sistema como una forma de alimentar redes de sensores que monitorean las condiciones en los campos de perforación de petróleo y gas, por ejemplo.

"Quieren fuentes de energía ortogonales, "Cottrill dice, es decir, los que son completamente independientes entre sí, como generadores de combustibles fósiles, paneles solares, y este nuevo dispositivo de energía de ciclo térmico. Por lo tanto, "si una parte falla, "por ejemplo, si los paneles solares quedan en la oscuridad debido a una tormenta de arena, "tendrás este mecanismo adicional para dar energía, incluso si es suficiente para enviar un mensaje de emergencia ".

Dichos sistemas también podrían proporcionar fuentes de energía de bajo consumo pero duraderas para los módulos de aterrizaje o vehículos exploradores que exploran ubicaciones remotas. incluyendo otras lunas y planetas, dice Volodymyr Koman, un postdoctorado del MIT y coautor del nuevo estudio. Para tales usos, gran parte del sistema podría fabricarse con materiales locales en lugar de tener que ser prefabricado, él dice.