Ingenieros mecánicos de la Universidad de California, Orilla, han informado de éxito en el uso de materiales económicos para producir dispositivos termoeléctricos que transforman el calor residual de bajo nivel en electricidad.

Su avance podría permitir una amplia variedad de aplicaciones comerciales. Por ejemplo, La integración de dispositivos de generación termoeléctrica en chips de computadora podría permitir que el calor que producen proporcione una fuente de energía. El calor residual de los motores de los automóviles podría hacer funcionar los componentes electrónicos de un automóvil y proporcionar refrigeración. Las células solares fotovoltaicas podrían hacerse más eficientes aprovechando el calor de la luz solar que las golpea para generar más electricidad.

También, utilizando la misma tecnología básica, Se podrían producir refrigeradores termoeléctricos económicos que serían más eficientes energéticamente y con menos partes móviles que los refrigeradores que usan compresores y refrigerante. Los refrigeradores termoeléctricos actuales son costosos y relativamente ineficientes. En esencia, operan a la inversa de los generadores termoeléctricos, con una corriente eléctrica aplicada para generar un gradiente de temperatura que podría usarse en enfriamiento.

Si bien los generadores termoeléctricos han sido muy confiables, por ejemplo, alimentando sondas espaciales como la nave espacial Voyager durante décadas, su uso se ha visto limitado por el costo y la complejidad de los materiales que requerían.

Sin embargo, investigadores dirigidos por el profesor adjunto de ingeniería mecánica Sandeep Kumar, han informado de lograr una conversión de energía termoeléctrica significativa utilizando una combinación de una aleación de níquel-hierro y silicio. El artículo científico sobre sus resultados apareció recientemente en línea en la revista Physica Status Solidi Rapid Research Letters. Los coautores del artículo fueron los estudiantes graduados Ravindra Bhardwaj y Paul Lou.

En sus experimentos, Los investigadores construyeron un sándwich súper delgado de dos capas de Permalloy de níquel-hierro y una forma de silicio llamado silicio tipo p. La capa de Permalloy tenía 25 nanómetros de espesor, y los investigadores produjeron dispositivos en los que la capa de silicio tenía un grosor de 100 nanómetros, 25 nanómetros y 5 nanómetros. En comparación, un cabello humano tiene un grosor de aproximadamente 200 micrones.

Cuando los investigadores aplicaron calor a la capa de Permalloy, pudieron producir un voltaje eléctrico en el sándwich, debido a un fenómeno físico descubierto recientemente conocido como efecto spin-Seebeck. En este efecto, un gradiente de temperatura genera una corriente de espín a partir de la sustancia ferromagnética, produciendo un voltaje eléctrico en el silicio. El voltaje mejorado producido en el dispositivo se debió a un mecanismo llamado "acoplamiento Rashba spin-órbita".

Los investigadores lograron uno de los voltajes más grandes hasta ahora medidos en el dispositivo con la capa de silicio de 5 nanómetros de espesor.

“Estos dispositivos podrán generar electricidad en cualquier situación en la que existan pequeños gradientes de temperatura, "dijo Kumar." Porque, ejemplo, un chip de computadora generalmente se calienta hasta unos sesenta grados centígrados, mientras que la temperatura circundante puede ser de veinticinco grados. Entonces, tales generadores termoeléctricos de espín integrados en chips de computadora podrían generar cantidades significativas de electricidad a partir del calor que de otro modo se desperdiciaría ".

"También, los paneles solares fotovoltaicos se calientan bastante, por lo que la integración de generadores termoeléctricos en dichos paneles podría generar electricidad adicional a partir de ese calor residual, ", dijo." Los generadores termoeléctricos también podrían integrarse en automóviles, donde las temperaturas del motor pueden alcanzar los cien grados centígrados, en comparación con una temperatura ambiente de veinticinco grados. En tal aplicación, la electricidad generada podría alimentar los componentes electrónicos del automóvil e incluso proporcionar refrigeración ".

Los últimos experimentos constituyen solo el comienzo del desarrollo de la nueva tecnología termoeléctrica, dijo Kumar, quien agregó que se ha presentado una patente provisional para el descubrimiento.

"Acabamos de arañar la superficie de las posibilidades, ", dijo." Creemos que podemos generar incluso más energía a partir del mismo gradiente de temperatura mediante el uso de múltiples capas, al igual que juntar las pilas aumenta la producción de energía. Y, estamos explorando otras tierras abundantes, materiales económicos que podrían resultar eficaces en dispositivos termoeléctricos de espín ".

El título del artículo es "Mejora gigante del efecto Rashba spin-Seebeck en películas delgadas de NiFe / p-Si".