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Convertir el calor residual en energía
El silicio, en forma de células fotovoltaicas, es bueno para generar electricidad a partir de la luz solar. Una nueva investigación muestra que también podría producir una buena termoeléctrica: un material que convierte el calor en electricidad y viceversa. Dado que el silicio es más abundante que los principales materiales termoeléctricos y tiene una vasta infraestructura de fabricación detrás de él, eventualmente podría producir dispositivos baratos para generar energía a partir del calor residual de los motores o del calor solar.
Cliente genial: Esta imagen, producida por un microscopio electrónico de barrido, muestra un nanoalambre de silicio rugoso que une dos almohadillas térmicas, una que sirve como fuente de calor y la otra como sensor. Los investigadores han descubierto que los nanocables de silicio de 50 nanómetros de ancho tienen una conductividad térmica drásticamente menor que el silicio a granel, pero conservan su conductividad eléctrica. Por lo tanto, los nanocables muestran potencial como materiales termoeléctricos, que convierten el calor en electricidad y viceversa.
En esta semana Naturaleza , Universidad de California, Berkeley, profesor de química Peidong Yang y sus colegas informan haber fabricado nanocables de silicio que generan electricidad cuando se les aplica un diferencial de temperatura. Hasta ahora, el silicio se ha considerado un mal material termoeléctrico. Pero según Yang, el rendimiento de los nanocables ya es comparable al mejor material termoeléctrico existente.
Los dispositivos termoeléctricos han existido desde principios de la década de 1960, generalmente hechos de telururo de bismuto o telururo de plomo. Se utilizan principalmente para enfriar: cuando se aplica un voltaje a través de un material termoeléctrico, se calienta más por un lado y más frío por el otro. Las neveras termoeléctricas se utilizan popularmente en neveras portátiles para picnic y asientos de seguridad para el automóvil.
Pero las aplicaciones más interesantes se encuentran en la eficiencia energética y la generación de energía. La termoeléctrica podría usarse para convertir el calor residual generado por los motores de los automóviles en electricidad. Aún más atractiva es la idea de que las termoeléctricas aprovechen el calor del sol para generar electricidad. Pero el telururo de bismuto y el telururo de plomo no son lo suficientemente eficientes, por lo que los dispositivos fabricados con ellos son costosos y voluminosos, porque requieren más material.
Las termoeléctricas tendrían que ser al menos dos veces más eficientes de lo que ahora se usarán para la generación de energía barata, dice Mildred Dresselhaus , pionera en termoeléctrica y profesora de física e ingeniería eléctrica en el MIT. El uso de estructuras a nanoescala en lugar de cristales a granel de los materiales puede aumentar su eficiencia, dice. Las nanoestructuras bloquean el flujo de calor pero permiten que los electrones fluyan fácilmente. Pero procesar y nanoestructurar el telururo de bismuto no es fácil.
El silicio, por otro lado, es mucho más fácil de procesar, tiene una gran infraestructura de procesamiento detrás, dice Yang. El silicio también tiene un costo mucho menor que el telururo de bismuto. El problema con el silicio es que es una mala termoeléctrica. Una buena termoeléctrica debe ser dos cosas: un buen conductor eléctrico y un mal conductor de calor. El silicio conduce muy bien tanto el calor como la electricidad.
Yang y sus colegas redujeron la conductividad térmica del silicio mediante el uso de nanocables de silicio. Fabricaron una serie de nanocables de silicio de entre 20 y 300 nanómetros de diámetro. La síntesis de nanocables a menudo implica licuar una nanopartícula e inducirla a crecer, como un cabello. Pero eso produce nanocables con superficies lisas. El método de grabado químico que utiliza el equipo de Yang da como resultado nanocables que tienen superficies rugosas. Los investigadores encontraron que los cables que tienen alrededor de 50 nanómetros de ancho retienen la conductividad eléctrica pero tienen solo una centésima parte de la conductividad térmica. Esto da como resultado una eficiencia termoeléctrica cercana a la de algunos materiales comerciales de telururo de bismuto.
Ninguna teoría actual explica por qué la conductividad térmica de los nanocables disminuye tan drásticamente. Una de las razones, cree Yang, es que los nanocables casi unidimensionales y los bordes ásperos de los cables bloquean el flujo de fonones, que son partículas que transportan calor. Pero el panorama completo sigue sin estar claro.
Ali Shakouri , profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de California en Santa Cruz, dice que los investigadores deberán comprender cómo funciona la física antes de poder mejorar la tecnología lo suficiente como para producir dispositivos comerciales. Además, el uso de nanocables para la conversión de energía y la generación de energía tiene sus propias limitaciones, dice Shakouri. Tales aplicaciones requieren grandes matrices de nanocables, pero en el Naturaleza En papel, Yang y sus colegas midieron las propiedades eléctricas de nanocables individuales. Los investigadores deberán asegurarse de que esas propiedades se traduzcan en matrices completas de nanocables, dice Shakouri: las variaciones e interacciones entre los nanocables podrían eliminar algunas ventajas.
Aún así, dice, este es un trabajo importante que podría tener un gran impacto. Shakouri apunta no solo a la demostración del potencial del silicio como termoeléctrico, sino también a la ingeniería única que los investigadores utilizaron para fabricar nanocables en bruto. La nueva forma de jugar con las propiedades de los materiales es muy interesante, dice. Podría abrir una forma de mejorar la termoeléctrica que podría aplicarse a otros materiales.
Mientras tanto, Yang y sus colegas ya están pensando en cómo mejorar el rendimiento de sus nanocables. Planean reducir el tamaño de los nanocables y hacer que sus superficies sean más rugosas de lo que ya son. Eso debería mejorar sus propiedades termoeléctricas, dice Yang. Los investigadores también planean fabricar y probar un dispositivo termoeléctrico real utilizando nanocables de silicio.