Las máquinas y los dispositivos electrónicos a menudo generan calor residual que es difícil de utilizar. Si se pudiera generar electricidad a partir de este calor residual, ofrecería un medio para una producción de energía limpia y sostenible:dicha tecnología sería ideal para aplicaciones electrónicas de bajo consumo, como dispositivos portátiles o dispositivos de Internet de las cosas de bajo costo. Esto incluye, por ejemplo, dispositivos y sensores portátiles (médicos), con una amplia gama de aplicaciones en la industria de la salud y el deporte, en edificios inteligentes y aplicaciones de movilidad.

Ya existen generadores termoeléctricos, máquinas que generan electricidad aprovechando las diferencias de temperatura, pero su eficiencia de conversión es generalmente baja y se produce poca electricidad. Generar más electricidad requeriría materiales que tengan simultáneamente alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica. Estos dos requisitos, sin embargo, a menudo son mutuamente excluyentes.

Puntos cuánticos como solución

En los últimos años, varios grupos de investigación de todo el mundo han demostrado que la conversión termoeléctrica se puede mejorar enormemente explotando los efectos cuánticos. Por ejemplo, mediante el uso de puntos cuánticos que actúan como filtros de energía altamente selectivos, se han informado aumentos drásticos en la eficiencia de conversión, algunos incluso acercándose a algunos de los límites establecidos por las leyes de la termodinámica. El problema:las máquinas cuánticas, también llamadas motores térmicos cuánticos, deben enfriarse a temperaturas unos pocos grados por encima del cero absoluto, por lo que algo como esto no es útil en la vida cotidiana.

Los investigadores de Empa podrían superar este problema y crear un motor térmico cuántico que funcione a temperatura ambiente. A Mickael L. Perrin, investigador del laboratorio de transporte en nanoescala de Empa dirigido por Michel Calame, se le ocurrió la idea de utilizar nanocintas de grafeno, que son una especialidad de Empa. Las primeras nanocintas de grafeno fueron sintetizadas por otro grupo de investigación de Empa:Roman Fasel y sus colegas del laboratorio Nanotech@Surfaces de Empa. Desde hace varios años, los investigadores de Empa han trabajado en diferentes enfoques para crear dispositivos electrónicos a partir de tales nanocintas.

Operación a temperatura ambiente usando nanocintas de grafeno

Mickael L. Perrin pudo hacer que las nanocintas de grafeno se comportaran como puntos cuánticos antes, con algunos de ellos estables hasta una temperatura de -123 grados centígrados, es decir, a temperaturas mucho más altas que los puntos cuánticos utilizados antes para la conversión termoeléctrica. Ahora, el objetivo es integrar dichas nanocintas de grafeno en un motor térmico cuántico y hacer que funcione a temperatura ambiente. Dado que las nanocintas tienen solo unos pocos nanómetros de tamaño, hacer contacto con ellas requerirá el desarrollo de técnicas de fabricación especiales, que se implementarán en el Centro de Nanotecnología Binnig and Rohrer en el Centro de Investigación de IBM en Rüschlikon. Además, se necesitarán sistemas de medición diseñados a medida para caracterizar la eficiencia de conversión de energía.

Si todo sale según lo planeado, Perrin puede crear un pequeño motor térmico en un chip en los próximos años. No solo podría generar electricidad a partir del calor residual, sino que, por el contrario, al invertir el principio de funcionamiento, sería adecuado para una refrigeración eficiente.

Con sus dos becas de investigación exitosas, Mickael L. Perrin comenzará su cátedra asistente en ETH Zurich, en el Departamento de Tecnología de la Información e Ingeniería Eléctrica, en los próximos meses. Durante los próximos años, continuará su investigación en Empa, donde se dispone de equipos de última generación para la caracterización termoeléctrica de motores térmicos cuánticos.

Esperemos que solo sea una solución temporal

La financiación del proyecto de Perrin proviene de la SNSF y de la Secretaría de Estado de Educación, Investigación e Innovación (SERI). Debido al acuerdo marco fallido entre Suiza y la UE, Suiza está excluida del actual programa de investigación europeo, Horizon Europe. Para intervenir, las subvenciones de inicio de ERC son financiadas directamente por SERI este año. Esta es la única forma de mantener en Suiza a jóvenes investigadores de gran talento. Para recibir la financiación asignada directamente de la UE, Mickael L. Perrin y los otros 27 becarios de Suiza tendrían que trasladarse a una universidad extranjera que forme parte del Espacio Europeo de Investigación. + Explora más

Nuevo modelo tecnoeconómico optimiza las tecnologías de conversión de calor residual