Los fabricantes de vidrio y acero producen grandes cantidades de energía térmica desperdiciada a altas temperaturas, pero los dispositivos termoeléctricos de estado sólido que convierten el calor en electricidad no funcionan a temperaturas suficientemente altas o cuestan tanto que su uso se limita a aplicaciones especiales como las naves espaciales. Los investigadores del MIT han desarrollado un dispositivo termoeléctrico líquido con un compuesto fundido de estaño y azufre que puede convertir eficientemente el calor residual en electricidad. abriendo el camino para transformar de forma asequible el calor residual en energía a altas temperaturas.

Youyang Zhao, estudiante de posgrado en el grupo de investigación del profesor asistente de metalurgia Antoine Allanore, construyó una celda de prueba termoeléctrica que opera en estado líquido a temperaturas de 950 a 1, 074 grados Celsius (1, 742 a 1, 965 grados Fahrenheit). Dispositivos termoeléctricos comerciales, basado en materiales como el telururo de bismuto en estado sólido, operar a unos 500 C, y un bloque de telururo de bismuto cuesta alrededor de 150 veces más que el sulfuro de estaño por metro cúbico.

Una vez derretido El sulfuro de estaño proporciona una salida termoeléctrica constante en un amplio rango de temperatura hasta 200 grados por encima de su punto de fusión de 882 C, dice Zhao, primer autor de un artículo de ECS Journal of Solid State Science and Technology, "Semiconductores fundidos para termoelectricidad de alta temperatura, "con Allanore y el recién graduado Charles Cooper Rinzler PhD '17. Zhao no encontró una caída significativa en el rendimiento cuando subió el ciclo del dispositivo a 1, 074 C y volver a bajar a 950 C durante varias horas.

"Para mi, Primero caliento la muestra hasta su punto de fusión y luego escaneo la temperatura hasta 200 C por encima de la fusión y luego escaneo hacia atrás mientras hago múltiples mediciones durante la parte de calentamiento y enfriamiento. Lo que encontramos es que la propiedad es bastante consistente, "Dice Zhao.

Materiales para operaciones industriales a gran escala

El dispositivo termoeléctrico de Zhao opera en condiciones que son relevantes para aplicaciones industriales, mientras que el material que usó, sulfuro de estaño, es atractivo desde la perspectiva de los costos, Dice Allanore. Los dispositivos termoeléctricos funcionan intercalando materiales que producen un voltaje eléctrico cuando hay una diferencia de temperatura entre sus lados calientes y fríos. En reversa, se pueden utilizar como dispositivos de refrigeración que convierten una corriente eléctrica en una caída de temperatura. Se utilizan tales dispositivos, por ejemplo, para calentar y enfriar asientos en modelos de automóviles de lujo y para alimentar dispositivos electrónicos a bordo en naves espaciales en viajes largos (utilizando una fuente de energía nuclear y con dispositivos especiales que pueden operar a temperaturas más altas que los dispositivos comerciales).

Es poco probable que los beneficios ambientales que genera la producción de electricidad a partir del calor residual sean un motivador principal para que los fabricantes de vidrio y acero adopten esta tecnología. Sugiere Allanore. Estas operaciones tienen que hacer funcionar sus cubas u hornos a temperaturas de 1, 000 C o más para hacer sus productos, y obtienen sus beneficios de esos productos. Pero alcanzar esta temperatura alta es un costo único. Si la gestión termoeléctrica de ese calor permite a los productores operar más caliente, que podría aumentar la productividad, o para extender la vida de su equipo, entonces será más probable que lo adapten, Dice Allanore. "Ya sabemos que en el estado estacionario tenemos 1, 000 grados Celsius en esa ubicación, ", dice. Y eso es suficiente para derretir los materiales semiconductores en un dispositivo termoeléctrico líquido.

"Al principio pensamos en cómo implementar a gran escala, en hornos metalúrgicos de alta temperatura, materiales que puedan recuperar el calor residual. Esa fue nuestra primera idea. Pero luego la segunda visión de esto es decir, ¿Qué puedo hacer con esa electricidad? Porque no va a implementar eso para generar electricidad, va a implementar eso porque tiene un verdadero beneficio para su producción, "Allanore explica. Ser capaz de gestionar el calor a temperaturas muy altas gracias a materiales eléctricamente activos como los compuestos fundidos es un beneficio que ahora es una posibilidad.

Estos hallazgos pueden tener un gran impacto en los productores de metales que ya manejan cientos de miles de toneladas por año de sulfuro de cobre. sulfuro de hierro, y materiales similares en su estado fundido, pero que actualmente no aprovechan las propiedades semiconductoras de los materiales. "Sabemos cómo manejar estas cosas a gran escala, "Dice Allanore.

En 2013, Allanore y John F. Elliott Profesor de Química de Materiales Donald R. Sadoway desarrolló una aleación económica de cromo y hierro para servir como ánodo en la producción de acero mediante electrólisis de óxido fundido. El proceso produce metal de alta pureza y libera oxígeno en lugar de dióxido de carbono. que es uno de los principales contribuyentes al efecto de los gases de efecto invernadero. Una empresa derivada del MIT, Boston Electrometalurgical Corp., surgió de ese trabajo, que ha demostrado una producción de metal fundido a una escala de varios cientos de libras por día.

Teoría de emparejamiento y experimento

El nuevo trabajo sobre dispositivos termoeléctricos bajo temperaturas igualmente altas proporciona una confirmación experimental del trabajo del colega de laboratorio de Allanore, Rinzler, que explica la base teórica del comportamiento semiconductor en compuestos metálicos en su estado caliente, estado liquido. El trabajo de Rinzler establece un marco predictivo para cuantificar el perfil energético (termodinámica), estructura química (configuración de átomos), y comportamiento electrónico en ciertos compuestos semiconductores líquidos, tales como sulfuro de estaño o sulfuro de cobre.

"No se trata simplemente de decir en qué rango de temperatura se puede operar. Es lo que se puede lograr en condiciones prácticas de operación que son importantes para la aplicación en cuestión y en qué punto de costo del material y el dispositivo, "Dice Rinzler.

"La belleza de algo como esto es que podemos capturar tanto podemos mejorar la recolección de calor residual, que nos puede interesar desde una perspectiva de ahorro de energía, pero se alienta a la industria a usarlo porque en realidad los beneficia en el contexto que les interesa directamente también, "Dice Rinzler.

Medido en dólares por vatio, Allanore explica, Los dispositivos de sulfuro de estaño fundido podrían ser importantes para las industrias que operan a alta temperatura. "El dólar por vatio, cuando tienes una gran superficie, está dictado por el costo de su material, ", dice. Otras ventajas del sistema propuesto incluyen la simplicidad de manejo de estaño y azufre, la conductividad eléctrica relativamente alta de la mezcla semiconductora y su toxicidad relativamente baja en comparación con compuestos como el telurio y el talio o el plomo y el azufre.

Zhao pasó del concepto al dispositivo funcional en un año, progreso notable para la investigación científica, Notas de Allanore. "Primero, es Youyang, quien es muy bueno, y segundo, es el estado líquido ... lo que hace posible este tipo de demostración rápida, ", dice. Zhao obtuvo su licenciatura en ciencia e ingeniería de materiales de Georgia Tech en 2013.

Sistema de autocuración

"El estado líquido es muy indulgente con los grandes cambios de temperatura de una manera que el estado sólido no lo es. Si piensa en un material en estado sólido que está pasando por un rango de temperatura de este tipo, siempre tienes expansión térmica, Problemas mecánicos, corrosión, "Dice Allanore. Estos fenómenos impiden que muchos materiales sólidos sean reversibles en el sentido de que a medida que la temperatura sube y baja, el rendimiento seguirá siendo el mismo. "Esta es nuevamente una de las características del estado líquido. Lo llamamos autocuración, ", explica." Siempre que no cambie la composición química macroscópicamente, simplemente obtienes el mismo material. Desde un punto de vista de ingeniería y adopción para aplicaciones a gran escala, esta es una característica muy importante ".

"Creo que la gente le tiene miedo, en un sentido, porque parece peligroso estar caliente y fundido, pero una vez que esté fundido y sepa lo que está haciendo, es muy indulgente, "Dice Allanore.

Para su dispositivo experimental, los investigadores adaptaron un diseño de cilindro concéntrico similar al utilizado por el fallecido Robert K. Williams, investigador de la división de metales y cerámica desde hace mucho tiempo en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, para un estudio de 1968 de la conductividad térmica en sulfuro de plata fundido. "Demostraron que la convección es un factor realmente importante en los líquidos, "Dice Zhao". Y para nosotros, estamos diseñando un dispositivo. No solo estamos hablando de las propiedades del material. Tenemos que considerar la geometría y el diseño de la celda. Cuando pones un material nuevo en un dispositivo, la propiedad general puede ser diferente del material en sí. Eso significa que es la propiedad líquida general, posiblemente con efecto de convección, que domina el rendimiento del dispositivo ".

Los investigadores comparan diferentes materiales termoeléctricos determinando su "figura de mérito, "que es una medida de la eficacia de cada material en la conversión termoeléctrica. Para muchos compuestos potencialmente útiles a alta temperatura, Allanore dice:la figura del mérito termoeléctrico nunca ha sido investigada, por lo que el nuevo dispositivo también proporciona un marco experimental para evaluar esto.

Papel de la convección

La figura de mérito termoeléctrico de un dispositivo es ligeramente diferente a la del material termoeléctrico que utiliza debido a los efectos de la convección natural, así como a la interferencia del propio dispositivo. En el papel, Zhao dice, "Informamos la figura de mérito del dispositivo, no necesariamente por el material, porque creemos que hay una contribución, o hay una degradación del rendimiento, por convección natural. En ese sentido, si pudiéramos minimizar la convección natural, la cifra de mérito de este dispositivo podría subir ".

"Ese es el siguiente paso de nuestro estudio, "Dice Zhao." Actualmente estoy tratando de estudiar cuál es el efecto de la convección natural sobre [el] coeficiente de Seebeck [una medida de la resistencia de un material para convertir el calor en electricidad] o la conductividad eléctrica o la conductividad térmica ".

Los investigadores del MIT han presentado una solicitud de patente provisional para ciertos aspectos de su trabajo.

"El trabajo de Allanore es único por su uso de la forma líquida de semiconductores sólidos para convertir el calor en electricidad, "dice Michael Chabinyc, Profesor de la Universidad de California en Santa Bárbara y presidente asociado de materiales, que no participó en esta investigación. "Las propiedades de los semiconductores líquidos se han estudiado previamente, pero su trabajo traduce este conocimiento fundamental en una aplicación práctica. Un aspecto importante del trabajo es el uso de materiales abundantes en la tierra que proporcionan una vía potencial para recuperar la energía desperdiciada en forma de calor de manera económica ".

Allanore espera que el trabajo amplíe la comprensión de los compuestos fundidos. A diferencia de los materiales sólidos donde los átomos son relativamente fijos, él dice, los átomos en los líquidos varían en disposición en una escala de varios micrómetros a varios milímetros. Uno podría pensar por ejemplo, de la diferencia entre las moléculas de agua en un bloque de hielo congelado y esas mismas moléculas en una olla de agua hirviendo. "En un material fundido, tienes movimiento constante, y es una complejidad que no está presente en su estado sólido y no está descrita por los modelos existentes de la ciencia de los materiales que enseñamos en clase, "Dice Allanore." Nos sentimos cómodos de que algún día tendremos un puente entre los dos y luego será una historia completa que no solo hable sobre la estructura electrónica y la propiedad, pero también lo que llamamos química física, que es la viscosidad, densidad, difusividad:todos estos fenómenos que son esenciales para el estado líquido ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.