¿Sientes el calor que emana de tu computadora o teléfono celular? Esa es la energía desperdiciada que irradia el dispositivo. Con automóviles se estima que el 60% de la eficiencia del combustible se pierde debido al calor residual. ¿Es posible capturar esta energía y convertirla en electricidad?

Los investigadores que trabajan en el área de generación de energía termoeléctrica dicen absolutamente. Pero sigue siendo una pregunta si se puede hacer de manera rentable.

Por ahora, Los generadores termoeléctricos son una rareza, utilizado principalmente en aplicaciones de nicho como sondas espaciales, donde el repostaje no es una posibilidad. La termoelectricidad es un área activa de investigación, particularmente entre empresas automotrices como BMW y Audi. Sin embargo, hasta la fecha, el coste de convertir el calor en electricidad ha resultado ser más caro que la propia electricidad.

Anveeksh Koneru, profesor titular de ingeniería mecánica en la Permian Basin de la Universidad de Texas (UTPB), está explorando un nuevo método para capturar el calor residual aprovechando los movimientos mecánicos cuánticos de los electrones en materiales de espín polarizado.

En física de partículas, El giro es una forma intrínseca de momento angular transportado por partículas elementales, partículas compuestas (hadrones), y núcleos atómicos. A través de un mecanismo conocido como efecto Spin Hall, Se ha demostrado que se puede generar un voltaje aprovechando las diferencias en las poblaciones de espines en un contacto metálico adherido a un material ferromagnético. Demostrado experimentalmente por primera vez por investigadores japoneses en 2008, la idea se ha filtrado a través de la ciencia de los materiales durante un tiempo, pero aún tiene que encontrar su forma óptima.

Koneru cree que, en óxido de cobalto, es posible que haya encontrado el material adecuado para aprovechar el efecto para la producción de energía. Un compuesto inorgánico utilizado en la industria de la cerámica para crear esmaltes de color azul, y en tecnologías de separación de agua, Los óxidos de cobalto poseen la capacidad única de aceptar cationes de metales de transición sustitutos, que permite mezclarlos con níquel, cobre, manganeso, o zinc. Estos metales tienen propiedades magnéticas que pueden aumentar la separación entre los electrones que giran hacia arriba y hacia abajo y mejorar la conversión de calor en electricidad.

"El material debe ser un buen conductor eléctrico, pero un mal conductor térmico. Debería conducir electrones, pero no fonones, que son calor, "Dijo Koneru." Para estudiar esto experimentalmente, tendríamos que fabricar miles de combinaciones diferentes de materiales. En lugar de, estamos tratando de calcular teóricamente cuál es la configuración óptima del material usando sustituciones ".

Desde 2018, Koneru ha estado usando supercomputadoras en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) para probar virtualmente los perfiles de energía de una variedad de óxidos de cobalto con una variedad de sustituciones.

"Cada calibración requiere de 30 a 40 horas de tiempo de cálculo, y tenemos que estudiar al menos un 1, 000 a 1, 500 configuraciones diferentes, ", explicó." Requiere una gran facilidad computacional y eso es lo que proporciona TACC ".

Koneru, junto con los estudiantes graduados de la UTPB Gustavo Damis Resende, Nolan Hines, y un colaborador de la Universidad de West Virginia, Terence Musho, presentó sus hallazgos iniciales sobre la capacidad termoeléctrica de los óxidos de cobalto en la Reunión de Primavera de la Sociedad de Investigación de Materiales en Phoenix, Arizona, el 22 de abril.

Los investigadores estudiaron celdas unitarias de 56 átomos de tres configuraciones de óxido de cobalto, afinado por sustituciones de níquel y zinc, para lograr un rendimiento termoeléctrico óptimo. Utilizaron un paquete de software conocido como Quantum ESPRESSO para calcular las características físicas de cada configuración. Éstos incluyen:

• la banda prohibida:la energía mínima requerida para excitar un electrón a un estado en el que conduce energía, el parámetro de la red:las dimensiones físicas de las células en una red cristalina;
• la masa efectiva de los electrones de conducción:la masa que parece tener una partícula cuando responde a la fuerza;
• y la polarización del espín:el grado en que el espín está alineado con una dirección dada.

Estas propiedades fundamentales se utilizaron luego para realizar cálculos convencionales de transporte de carga y giro, lo que les dice a los investigadores qué tan bien una configuración del óxido de cobalto puede convertir el calor en electricidad.

Según los investigadores, el método desarrollado en esta investigación se puede aplicar a otros materiales termoeléctricos interesantes con propiedades semiconductoras y magnéticas, haciéndolo ampliamente útil para la comunidad científica de materiales.

USO DE LA INFRAESTRUCTURA CIBERNÉTICA DE INVESTIGACIÓN DE UT

Como Ph.D. estudiante de la Universidad de West Virginia, Koneru tuvo acceso a grandes supercomputadoras para realizar su investigación. Aunque UTPB no tiene tales recursos a nivel local, pudo aprovechar los sistemas y servicios informáticos avanzados de TACC a través de la iniciativa UT Research Cyberinfrastructure (UTRC), cuales, desde 2007, ha proporcionado a los investigadores de cualquiera de las 14 instituciones del Sistema de la Universidad de Texas acceso a los recursos de TACC, pericia, y entrenamiento.

Como parte de la iniciativa UTRC, El personal de TACC actúa como enlace, visitar los 14 campus de UT System, ofreciendo formación y asesoramiento, e introducir a los investigadores los recursos disponibles para ellos. Cuando el investigador de TACC Ari Kahn visitó UTPB, conoció a Koneru y lo animó a hacer computación en TACC.

Desde entonces, Koneru ha estado usando Lonestar5, un sistema exclusivo para investigadores de UT System, por su trabajo. Aunque todavía en su etapa inicial, los resultados hasta ahora han sido prometedores.

"Estoy emocionado porque pudimos ver claramente la polarización de espín cuando las espinelas de óxido de cobalto se sustituyeron por níquel. Esa es una buena señal, ", dijo." Estamos viendo que una configuración en particular tiene una división mayor en la banda prohibida, algo que es sorprendente y tenemos que explorar más. Y todas las calibraciones están convergiendo lo que demuestra que son confiables ".

Una vez que identifica el material óptimo para la conversión de calor residual, Koneru espera diseñar una pasta que pueda aplicarse al tubo de escape de un vehículo, convertir el calor residual en electricidad para alimentar los sistemas eléctricos de un automóvil. Él estima que un dispositivo de este tipo podría costar menos de $ 500 por vehículo y podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en cientos de millones de toneladas al año.

"Con los recientes avances en nanofabricación, y calibraciones computacionales para nanomateriales, Los materiales térmicos de giro pueden desempeñar un papel vital en la conversión de energía en el futuro. " él dijo.

TACC permite a Koneru acelerar a través de una gran cantidad de posibles configuraciones de materiales para que cuando llegue el momento de probarlas experimentalmente, el número de candidatos será manejable.

"TACC es un sistema muy útil con personal que puede guiarlo si surge algún problema, ", Dijo Koneru." Si los profesores o los estudiantes están interesados ​​en una investigación que requiera instalaciones computacionales, TACC es la opción correcta para elegir. Proporciona recursos y experiencia de forma gratuita. Es un gran facilitador para lo que sea que te apasione. "

"Nuestra misión es alentar a los investigadores de todo el estado a utilizar los recursos de TACC para hacer descubrimientos asombrosos que no se pueden hacer en el laboratorio o utilizando grupos locales, "dijo Ari Khan de TACC." El Dr. La investigación de Koneru es un gran ejemplo de un proyecto de este tipo que podría tener un gran impacto en la contaminación del aire y el calentamiento global ".