(Phys.org) - Los investigadores están desarrollando una técnica que utiliza la nanotecnología para recolectar energía de tuberías calientes o componentes del motor para recuperar potencialmente la energía desperdiciada en las fábricas. plantas de energía y automóviles.

"La fea verdad es que el 58 por ciento de la energía generada en los Estados Unidos se desperdicia en forma de calor, "dijo Yue Wu, profesor asistente de ingeniería química de la Universidad de Purdue. "Si pudiéramos recuperar solo el 10 por ciento, eso nos permitiría reducir considerablemente el consumo de energía y las emisiones de las centrales eléctricas".

Los investigadores han revestido fibras de vidrio con un nuevo material "termoeléctrico" que desarrollaron. Cuando los materiales termoeléctricos se calientan en un lado, los electrones fluyen hacia el lado más frío, generando una corriente eléctrica.

Las fibras recubiertas también podrían usarse para crear una tecnología de enfriamiento de estado sólido que no requiera compresores ni refrigerantes químicos. Las fibras pueden tejerse en una tela para hacer prendas refrescantes.

Las fibras de vidrio se sumergen en una solución que contiene nanocristales de telururo de plomo y luego se exponen al calor en un proceso llamado recocido para fusionar los cristales.

Dichas fibras podrían envolverse alrededor de tuberías industriales en fábricas y centrales eléctricas. así como en motores de automóviles y sistemas de escape de automóviles, para recuperar gran parte de la energía desperdiciada. La tecnología de "recolección de energía" podría reducir drásticamente la cantidad de calor que se pierde, Dijo Wu.

Los hallazgos se detallaron en un artículo de investigación que apareció el mes pasado en la revista. Nano Letras. El documento fue escrito por Daxin Liang, un ex estudiante de intercambio de Purdue de la Universidad de Jilin en China; Los estudiantes graduados de Purdue Scott Finefrock y Haoran Yang; y Wu.

Los materiales termoeléctricos de alto rendimiento actuales son frágiles, y los dispositivos están formados por grandes discos o bloques.

"Este tipo de método de fabricación requiere el uso de mucho material, "Dijo Wu.

Los nuevos dispositivos flexibles se adaptarían a las formas irregulares de los motores y los tubos de escape utilizando una pequeña fracción del material necesario para los dispositivos termoeléctricos convencionales.

"Este enfoque produce el mismo nivel de rendimiento que los materiales termoeléctricos convencionales, pero requiere el uso de mucho menos material, lo que conduce a un menor costo y es práctico para la producción en masa, "Dijo Wu.

El nuevo enfoque promete un método que puede ampliarse a los procesos industriales, viabilizar la producción en masa.

"Hemos demostrado un material compuesto principalmente de vidrio con solo una capa de telururo de plomo de 300 nanómetros de espesor, ", Dijo Finefrock." Entonces, mientras que los dispositivos termoeléctricos actuales requieren grandes cantidades del costoso elemento telurio, nuestro material contiene solo un 5 por ciento de telurio. Prevemos la fabricación de producción en masa para recubrir las fibras rápidamente en un proceso de carrete a carrete ".

Además de generar electricidad cuando se expone al calor, los materiales también se pueden operar de manera inversa:la aplicación de una corriente eléctrica hace que absorba calor, que representa un posible método de acondicionamiento de aire de estado sólido. Tales fibras podrían algún día tejerse en prendas de enfriamiento o usarse en otras tecnologías de enfriamiento.

Los investigadores han demostrado que el material tiene una eficiencia termoeléctrica prometedora, que se mide mediante una fórmula para determinar una unidad de medida llamada ZT. Una parte clave de la fórmula es el "coeficiente de Seebeck, "llamado así por el físico alemán del siglo XIX Thomas Seebeck, quien descubrió el efecto termoeléctrico.

ZT se define por el coeficiente de Seebeck, junto con la conductividad eléctrica y térmica del material y otros factores. Tener una conductividad térmica baja, un coeficiente de Seebeck alto y una conductividad eléctrica dan como resultado un número ZT alto.

"Es difícil optimizar todos estos tres parámetros simultáneamente porque si aumenta la conductividad eléctrica, y la conductividad térmica aumenta, el coeficiente de Seebeck cae, "Dijo Wu.

La mayoría de los materiales termoeléctricos de uso comercial tienen un ZT de 1 o menos. Sin embargo, Los materiales nanoestructurados podrían usarse para reducir la conductividad térmica y aumentar el número ZT.

Los investigadores de Purdue han utilizado el número ZT para calcular la máxima eficiencia teóricamente posible con un material.

"Analizamos la abundancia material, el costo, toxicidad y rendimiento, y establecimos un único parámetro llamado índice de eficiencia, "Dijo Wu.

Aunque se han desarrollado materiales termoeléctricos de alto rendimiento, los materiales no son prácticos para aplicaciones industriales generalizadas.

"Los de mayor rendimiento de hoy tienen una composición complicada, haciéndolos caros y difíciles de fabricar, "Dijo Wu." Además, contienen materiales tóxicos, como el antimonio, lo que restringe la investigación termoeléctrica ".

Los nanocristales son un ingrediente crítico, en parte porque las interfaces entre los cristales diminutos sirven para suprimir la vibración de la estructura de la red cristalina, reduciendo la conductividad térmica. Los materiales podrían estar exhibiendo "confinamiento cuántico, "en el que las estructuras son tan pequeñas que se comportan casi como átomos individuales.

"Esto significa que, a medida que los electrones transportan calor a través de las estructuras, el voltaje promedio de esos electrones portadores de calor es más alto de lo que sería en estructuras más grandes, ", Dijo Finefrock." Dado que tienes electrones de voltaje más alto, puedes generar más energía ".

Este confinamiento puede aumentar el número ZT.

Se ha presentado una solicitud de patente estadounidense para el concepto de revestimiento de fibra.

El trabajo futuro podría centrarse en el recocido a mayor temperatura para mejorar la eficiencia, y los investigadores también están explorando un método diferente para eliminar el recocido por completo, lo que podría permitir recubrir fibras de polímero en lugar de vidrio.

"Los polímeros podrían tejerse en un dispositivo portátil que podría ser una prenda refrescante, "Dijo Wu.

Los investigadores también pueden trabajar para recubrir las fibras de vidrio con un polímero para mejorar la resiliencia del material termoeléctrico. que tiende a desarrollar pequeñas grietas cuando las fibras se doblan en ángulos agudos.

Los investigadores demostraron el concepto con un experimento utilizando un sistema que contiene tubos de diferentes diámetros anidados dentro de un tubo más grande. El agua caliente fluye a través de un tubo central y el agua más fría fluye a través de un tubo exterior. con una capa de material termoeléctrico entre los dos.

Los investigadores de Purdue también están explorando otros materiales en lugar de plomo y telurio, que son tóxicos, y los hallazgos preliminares sugieren que estos nuevos materiales son capaces de un alto valor de ZT.

"Por supuesto, el hecho de que nuestro proceso utilice una cantidad tan pequeña de material (una capa de solo 300 nanómetros de espesor) minimiza el problema de la toxicidad, "Dijo Wu." Sin embargo, también nos estamos concentrando en materiales no tóxicos y abundantes ".