(PhysOrg.com) - Los físicos de la Universidad de Arizona han descubierto una nueva forma de recolectar el calor residual y convertirlo en energía eléctrica. Aprovechando los efectos cuánticos, la tecnología es muy prometedora para la fabricación de automóviles, plantas de energía, fábricas y paneles solares más eficientes.

¿Qué hace un motor de coche? una planta de energía, ¿Qué tienen en común una fábrica y un panel solar? Todos generan calor, mucho del cual se desperdicia.

Los físicos de la Universidad de Arizona han descubierto una nueva forma de recolectar el calor residual y convertirlo en energía eléctrica.

Usando un modelo teórico de un llamado dispositivo termoeléctrico molecular, la tecnología es muy prometedora para la fabricación de automóviles, plantas de energía, fábricas y paneles solares más eficientes, por nombrar algunas posibles aplicaciones. Además, materiales termoeléctricos más eficientes producirían clorofluorocarbonos que agotan la capa de ozono, o CFC, obsoleto.

El grupo de investigación dirigido por Charles Stafford, profesor asociado de física, publicó sus hallazgos en la edición de septiembre de la revista científica, ACS Nano .

"La termoelectricidad hace posible convertir limpiamente el calor directamente en energía eléctrica en un dispositivo sin partes móviles, "dijo el autor principal Justin Bergfield, Candidato a doctorado en la Facultad de Ciencias Ópticas de la UA.

"Nuestros colegas en el campo nos dicen que están bastante seguros de que los dispositivos que hemos diseñado en la computadora se pueden construir con las características que vemos en nuestras simulaciones".

"Anticipamos que el voltaje termoeléctrico con nuestro diseño será aproximadamente 100 veces mayor que lo que otros han logrado en el laboratorio, "Añadió Stafford.

Captar la energía perdida a través del calor residual ha estado en la lista de deseos de los ingenieros durante mucho tiempo, pero, hasta aquí, Ha faltado un concepto para reemplazar los dispositivos existentes que sea más eficiente y económicamente competitivo.

A diferencia de los dispositivos de conversión de calor existentes, como refrigeradores y turbinas de vapor, los dispositivos de Bergfield y Stafford no requieren mecánicos ni productos químicos que agoten la capa de ozono. En lugar de, un polímero similar al caucho intercalado entre dos metales que actúan como electrodos puede hacer el truco.

Los tubos de escape de automóviles o fábricas se pueden recubrir con el material, menos de una millonésima de pulgada de espesor, recolectar energía que de otro modo se perdería en forma de calor y generar electricidad.

Los físicos aprovechan las leyes de la física cuántica, un ámbito que no se suele aprovechar cuando se diseña tecnología de generación de energía. Para los no iniciados, las leyes de la física cuántica parecen contradecir cómo se "supone" que se comportan las cosas.

La clave de la tecnología radica en una ley cuántica que los físicos llaman dualidad onda-partícula:los objetos diminutos, como los electrones, pueden comportarse como una onda o como una partícula.

"En un sentido, un electrón es como un auto deportivo rojo, ", Dijo Bergfield." El auto deportivo es a la vez un auto y es rojo, al igual que el electrón es tanto una partícula como una onda. Las dos son propiedades de la misma cosa. Los electrones son menos obvios para nosotros que los autos deportivos ".

Bergfield y Stafford descubrieron el potencial de convertir el calor en electricidad cuando estudiaron los éteres de polifenilo, moléculas que se agregan espontáneamente en polímeros, largas cadenas de unidades repetidas. La columna vertebral de cada molécula de polifeniléter consta de una cadena de anillos de benceno, que a su vez se construyen a partir de átomos de carbono. La estructura de eslabones de la cadena de cada molécula actúa como un "cable molecular" a través del cual pueden viajar los electrones.

"Ambos habíamos trabajado con estas moléculas antes y pensamos en usarlas para un dispositivo termoeléctrico, "Bergfield dijo, "pero no habíamos encontrado nada especial en ellos hasta que Michelle Solis, un estudiante que trabajó en un estudio independiente en el laboratorio, descubrió que, bajo y he aquí, estas cosas tenían una característica especial ".

Usando simulaciones por computadora, Luego, Bergfield "hizo crecer" un bosque de moléculas intercaladas entre dos electrodos y expuso la matriz a una fuente de calor simulada.

"A medida que aumenta la cantidad de anillos de benceno en cada molécula, Aumenta la potencia generada, "Dijo Bergfield.

El secreto de la capacidad de las moléculas para convertir el calor en energía reside en su estructura:como el agua que llega a una bifurcación en un río, el flujo de electrones a lo largo de la molécula se divide en dos una vez que encuentra un anillo de benceno, con un flujo de electrones siguiendo a lo largo de cada brazo del anillo.

Bergfield diseñó el circuito del anillo de benceno de tal manera que en un camino el electrón se ve obligado a viajar una distancia más larga alrededor del anillo que en el otro. Esto hace que las dos ondas de electrones estén desfasadas una vez que se reúnen al llegar al lado más alejado del anillo de benceno. Cuando las olas se encuentran se cancelan entre sí en un proceso conocido como interferencia cuántica. Cuando se coloca una diferencia de temperatura en el circuito, esta interrupción en el flujo de carga eléctrica conduce a la acumulación de un potencial eléctrico (voltaje) entre los dos electrodos.

La interferencia de ondas es un concepto explotado por los auriculares con cancelación de ruido:las ondas de sonido entrantes se encuentran con las ondas de contador generadas por el dispositivo, eliminando el ruido ofensivo.

"Somos los primeros en aprovechar la naturaleza ondulatoria del electrón y desarrollar un concepto para convertirlo en energía utilizable, "Dijo Stafford.

De forma análoga a la memoria de computadora de estado sólido frente a la de disco duro giratorio, los dispositivos termoeléctricos diseñados por UA no requieren partes móviles. Por diseño, son autónomos, más fácil de fabricar y más fácil de mantener en comparación con la tecnología disponible actualmente.

"Podrías tomar un par de electrodos metálicos y pintarlos con una sola capa de estas moléculas, "Dijo Bergfield." Eso le daría un pequeño sándwich que actuaría como su dispositivo termoeléctrico. Con un dispositivo de estado sólido no necesita agentes refrigerantes, no necesita envíos de nitrógeno líquido, y no necesita hacer mucho mantenimiento ".

"Tu puedes decir, en lugar de gas freón, usamos gas de electrones, "Añadió Stafford.

"Los efectos que vemos no son exclusivos de las moléculas que usamos en nuestra simulación, ", Dijo Bergfield." Cualquier dispositivo de escala cuántica en el que haya una cancelación de carga eléctrica funcionará, siempre que haya una diferencia de temperatura. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, más energía puede generar ".

Los dispositivos termoeléctricos moleculares podrían ayudar a resolver un problema que actualmente afecta a las células fotovoltaicas que obtienen energía de la luz solar.

"Los paneles solares se calientan mucho y su eficiencia disminuye, ", Dijo Stafford." Podría recolectar algo de ese calor y usarlo para generar electricidad adicional mientras simultáneamente enfría el panel y hace que su propio proceso fotovoltaico sea más eficiente ".

"Con un dispositivo termoeléctrico muy eficiente basado en nuestro diseño, podría alimentar alrededor de 200 bombillas de 100 vatios utilizando el calor residual de un automóvil, ", dijo." Dicho de otra manera, se podría aumentar la eficiencia del automóvil en más del 25 por ciento, lo que sería ideal para un híbrido, ya que ya utiliza un motor eléctrico ".

Entonces, La próxima vez que veas pasar un auto deportivo rojo, piense en el poder oculto del electrón y cuánto más eficiente podría ser ese automóvil deportivo con un dispositivo termoeléctrico envuelto alrededor de su tubo de escape.