Imagínese poder alimentar su automóvil en parte gracias al calor que emite su motor. ¿O qué pasaría si pudiera obtener una parte de la electricidad de su hogar del calor que emite una planta de energía? Esos escenarios de eficiencia energética pueden ser posibles algún día con mejoras en los materiales termoeléctricos, que producen electricidad espontáneamente cuando se calienta un lado del material.

Durante los últimos 60 años más o menos, Los científicos han estudiado una serie de materiales para caracterizar su potencial termoeléctrico, o la eficiencia con la que convierten el calor en energía. Pero hasta la fecha la mayoría de estos materiales han producido eficiencias que son demasiado bajas para cualquier uso práctico generalizado.

Los físicos del MIT ahora han encontrado una manera de aumentar significativamente el potencial de la termoelectricidad, con un método teórico que informan hoy en Avances de la ciencia . El material que modelan con este método es cinco veces más eficiente, y potencialmente podría generar el doble de energía, como los mejores materiales termoeléctricos que existen en la actualidad.

"Si todo sale bien según nuestros sueños más locos, luego, de repente, muchas cosas que en este momento son demasiado ineficientes para hacer se volverán más eficientes, "dice el autor principal Brian Skinner, un postdoctorado en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT. "Es posible que veas en los autos de las personas pequeños recuperadores termoeléctricos que absorben ese calor residual que el motor de tu auto está apagando, y utilícelo para recargar la batería. O estos dispositivos pueden colocarse alrededor de plantas de energía para que el calor que antes desperdiciaba su reactor nuclear o planta de energía de carbón ahora se recupere y se conecte a la red eléctrica ".

El coautor de Skinner en el artículo es Liang Fu, la Profesora Asociada de Física Sarah W. Biedenharn Career Development en el MIT.

Encontrar agujeros en una teoría

La capacidad de un material para producir energía a partir del calor se basa en el comportamiento de sus electrones en presencia de una diferencia de temperatura. Cuando se calienta un lado de un material termoeléctrico, puede dar energía a los electrones para que salten del lado caliente y se acumulen en el lado frío. La acumulación resultante de electrones puede crear un voltaje medible.

Los materiales que se han explorado hasta ahora han generado muy poca energía termoeléctrica, en parte porque los electrones son relativamente difíciles de energizar térmicamente. En la mayoría de los materiales, los electrones existen en bandas específicas, o rangos de energía. Cada banda está separada por un espacio, un pequeño rango de energías en el que los electrones no pueden existir. Energizar los electrones lo suficiente como para cruzar una banda prohibida y migrar físicamente a través de un material ha sido un gran desafío.

Skinner y Fu decidieron analizar el potencial termoeléctrico de una familia de materiales conocidos como semimetales topológicos. A diferencia de la mayoría de los otros materiales sólidos, como semiconductores y aislantes, Los semimetales topológicos son únicos porque tienen espacios de banda cero, una configuración de energía que permite a los electrones saltar fácilmente a bandas de mayor energía cuando se calientan.

Los científicos habían asumido que los semimetales topológicos, un tipo de material relativamente nuevo que se sintetiza en gran medida en el laboratorio, no generaría mucha energía termoeléctrica. Cuando el material se calienta por un lado, los electrones están energizados, y se acumulan en el otro extremo. Pero a medida que estos electrones cargados negativamente saltan a bandas de energía más altas, dejan atrás lo que se conoce como "agujeros":partículas de carga positiva que también se acumulan en el lado frío del material, anulando el efecto de los electrones y produciendo muy poca energía al final.

Pero el equipo no estaba dispuesto a descartar este material. En una investigación no relacionada, Skinner había notado un efecto curioso en los semiconductores que están expuestos a un fuerte campo magnético. En tales condiciones, el campo magnético puede afectar el movimiento de los electrones, doblando su trayectoria. Skinner y Fu se preguntaron:¿Qué tipo de efecto podría tener un campo magnético en semimetales topológicos?

Consultaron la literatura y encontraron que un equipo de la Universidad de Princeton, al intentar caracterizar completamente un tipo de material topológico conocido como seleniuro de plomo y estaño, también había medido sus propiedades termoeléctricas bajo un campo magnético en 2013. Entre sus muchas observaciones del material, los investigadores habían informado haber visto un aumento en la generación termoeléctrica, bajo un campo magnético muy alto de 35 tesla (la mayoría de las máquinas de resonancia magnética, para comparacion, operar alrededor de 2 a 3 tesla).

Skinner y Fu utilizaron las propiedades del material del estudio de Princeton para modelar teóricamente el rendimiento termoeléctrico del material en un rango de temperatura y condiciones de campo magnético.

"Eventualmente descubrimos que bajo un fuerte campo magnético, pasa algo gracioso, donde podrías hacer que los electrones y los huecos se muevan en direcciones opuestas, "Dice Skinner." Los electrones van hacia el lado frío, y agujeros hacia el lado caliente. Trabajan juntos y, en principio, podría obtener un voltaje cada vez mayor del mismo material simplemente haciendo que el campo magnético sea más fuerte ".

Poder de Tesla

En su modelado teórico, el grupo calculó la ZT de seleniuro de plomo y estaño, o figura de mérito, una cantidad que le dice qué tan cerca está su material del límite teórico para generar energía a partir del calor. Los materiales más eficientes que se han informado hasta ahora tienen una ZT de aproximadamente 2. Skinner y Fu encontraron que, bajo un fuerte campo magnético de aproximadamente 30 tesla, El seleniuro de plomo y estaño puede tener una ZT de aproximadamente 10, cinco veces más eficiente que los termoeléctricos de mejor rendimiento.

"Está fuera de escala, "Dice Skinner." Cuando nos topamos por primera vez con esta idea, parecía un poco demasiado dramático. Me tomó unos días convencerme de que todo cuadra ".

Calculan que un material con un ZT igual a 10, si se calienta a temperatura ambiente a unos 500 kelvin, o 440 grados Fahrenheit, bajo un campo magnético de 30 tesla, debería poder convertir el 18 por ciento de ese calor en electricidad, en comparación con materiales con un ZT igual a 2, que solo podría convertir el 8 por ciento de ese calor en energía.

El grupo reconoce que, para lograr eficiencias tan altas, Los semimetales topológicos actualmente disponibles tendrían que ser calentados bajo un campo magnético extremadamente alto que solo podría ser producido por un puñado de instalaciones en el mundo. Para que estos materiales sean prácticos para su uso en plantas de energía o automóviles, Deben operar en el rango de 1 a 2 tesla.

Fu dice que esto debería ser factible si un semimetal topológico estuviera extremadamente limpio, lo que significa que hay muy pocas impurezas en el material que se interpongan en el camino del flujo de electrones.

"Hacer que los materiales estén muy limpios es un gran desafío, pero la gente ha dedicado mucho esfuerzo al crecimiento de alta calidad de estos materiales, "Fu dice.

Agrega que el seleniuro de plomo y estaño, el material en el que se centraron en su estudio, no es el semimetal topológico más limpio que los científicos han sintetizado. En otras palabras, puede haber otros, Materiales más limpios que pueden generar la misma cantidad de energía térmica con un campo magnético mucho más pequeño.

"Podemos ver que este material es un buen material termoeléctrico, pero debería haber mejores, "Fu dice." Un enfoque es tomar el mejor [semimetal topológico] que tenemos ahora, y aplicar un campo magnético de 3 tesla. Puede que no aumente la eficiencia en un factor de 2, pero tal vez el 20 o el 50 por ciento, que ya es un gran avance ".

El equipo ha presentado una patente para su nuevo enfoque termoeléctrico y está colaborando con los investigadores de Princeton para probar experimentalmente la teoría.