Convertir directamente la energía eléctrica en calor es fácil. Sucede regularmente en tu tostadora, es decir, si hace tostadas con regularidad. Lo contrario, convertir el calor en energía eléctrica, no es tan fácil.

Investigadores de Sandia National Laboratories han desarrollado un diminuto dispositivo a base de silicio que puede aprovechar lo que antes se llamaba calor residual y convertirlo en corriente continua. Su avance se publicó recientemente en Physical Review Applied.

"Hemos desarrollado un nuevo método para recuperar esencialmente energía del calor residual. Los motores de los automóviles producen mucho calor y ese calor es sólo un desperdicio, ¿Derecha? Así que imagínese si pudiera convertir el calor del motor en energía eléctrica para un automóvil híbrido. Este es el primer paso en esa dirección, pero queda mucho por hacer, "dijo Paul Davids, un físico y el investigador principal del estudio.

"A corto plazo, buscamos fabricar una fuente de alimentación infrarroja compacta, quizás para reemplazar los generadores termoeléctricos de radioisótopos ". los generadores se utilizan para tareas tales como alimentar sensores para misiones espaciales que no reciben suficiente luz solar directa para alimentar paneles solares.

El dispositivo de David está hecho de materiales comunes y abundantes, como el aluminio, silicio y dióxido de silicio —o vidrio— combinados de formas muy poco comunes.

El dispositivo de silicio atrapa, canaliza y convierte el calor en energía

Más pequeño que una uña del meñique el dispositivo mide aproximadamente 1/8 de pulgada por 1/8 de pulgada, la mitad del grosor de una moneda de diez centavos y metalizado brillante. La parte superior es de aluminio grabado con rayas aproximadamente 20 veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano. Este patrón, aunque demasiado pequeño para ser visto a simple vista, sirve como antena para captar la radiación infrarroja.

Entre la parte superior de aluminio y la parte inferior de silicio hay una capa muy fina de dióxido de silicio. Esta capa tiene un grosor de aproximadamente 20 átomos de silicio, o 16, 000 veces más delgado que un cabello humano. La antena de aluminio estampada y grabada canaliza la radiación infrarroja hacia esta capa delgada.

La radiación infrarroja atrapada en el dióxido de silicio crea oscilaciones eléctricas muy rápidas, alrededor de 50 billones de veces por segundo. Esto empuja los electrones hacia adelante y hacia atrás entre el aluminio y el silicio de manera asimétrica. Este proceso, llamado rectificación, genera corriente eléctrica CC neta.

El equipo llama a su dispositivo una rectenna de infrarrojos, un acrónimo de antena rectificadora. Es un dispositivo de estado sólido sin partes móviles que se atasquen, doblarse o romperse, y no tiene que tocar directamente la fuente de calor, que puede causar estrés térmico.

La producción de rectenna infrarroja utiliza comunes, procesos escalables

Debido a que el equipo fabrica la rectenna de infrarrojos con los mismos procesos que utiliza la industria de circuitos integrados, es fácilmente escalable dijo Joshua Shank, ingeniero eléctrico y primer autor del artículo, quien probó los dispositivos y modeló la física subyacente mientras era becario postdoctoral de Sandia.

Él agregó, "Nos hemos centrado deliberadamente en materiales y procesos comunes que son escalables. En teoría, cualquier instalación comercial de fabricación de circuitos integrados podría fabricar estas rectennas ".

Eso no quiere decir que crear el dispositivo actual fue fácil. Rob Jarecki, el ingeniero de fabricación que dirigió el desarrollo del proceso, dijo, "Hay una inmensa complejidad bajo el capó y los dispositivos requieren todo tipo de trucos de procesamiento para construirlos".

Uno de los mayores desafíos de fabricación fue insertar pequeñas cantidades de otros elementos en el silicio, o dopando, para que refleje la luz infrarroja como un metal, dijo Jarecki. "Por lo general, no se mata el silicio no intentas convertirlo en metal, porque tienes metales para eso. En este caso lo necesitábamos dopado tanto como fuera posible sin arruinar el material ".

Los dispositivos fueron fabricados en Sandia's Microsystems Engineering, Complejo de Ciencias y Aplicaciones. El equipo ha obtenido una patente para la rectenna infrarroja y ha presentado varias patentes adicionales.

La versión de la rectenna infrarroja que el equipo informó en Physical Review Applied produce 8 nanovatios de potencia por centímetro cuadrado a partir de una lámpara de calor especializada a 840 grados. Para el contexto, una calculadora de energía solar típica usa alrededor de 5 microvatios, por lo que necesitarían una hoja de rectennas infrarrojas un poco más grande que una hoja de papel estándar para alimentar una calculadora. Entonces, el equipo tiene muchas ideas para futuras mejoras para hacer que la recepción de infrarrojos sea más eficiente.

Trabajo futuro para mejorar la eficiencia de la recepción de infrarrojos

Estas ideas incluyen hacer el patrón superior de la rectenna en 2-D x en lugar de rayas 1D, para absorber la luz infrarroja en todas las polarizaciones; rediseñar la capa rectificadora para que sea un rectificador de onda completa en lugar del rectificador de media onda actual; y hacer la rectenna infrarroja en una oblea de silicio más delgada para minimizar la pérdida de potencia debido a la resistencia.

A través de un diseño mejorado y una mayor eficiencia de conversión, aumentará la potencia de salida por unidad de área. Davids piensa que dentro de cinco años, la recepción de infrarrojos puede ser una buena alternativa a los RTG para fuentes de alimentación compactas.

Shank dijo:"Necesitamos seguir mejorando para ser comparables a las RTG, pero las rectennas serán útiles para cualquier aplicación donde necesite que algo funcione de manera confiable durante mucho tiempo y donde no pueda ingresar y simplemente cambiar la batería. Sin embargo, no vamos a ser una alternativa para los paneles solares como fuente de energía a escala de red, al menos no a corto plazo ".

Davids agregado, "Hemos ido reduciendo el problema y ahora estamos comenzando a llegar al punto en el que estamos viendo ganancias relativamente grandes en la conversión de energía, y creo que hay un camino a seguir como alternativa a la termoeléctrica. Se siente bien llegar a este punto. Sería genial si pudiéramos ampliarlo y cambiar el mundo ".