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Corriendo caliente y frío
La profesora del Instituto Mildred S. Dresselhaus quiere darle un nuevo giro a una idea del siglo XIX. Los científicos conocen desde hace casi 200 años el efecto termoeléctrico: ciertos materiales generan un voltaje eléctrico cuando su temperatura es diferente en cada lado. Y cuando se les aplica voltaje, se calientan en un lado y se enfrían en el otro. Sin embargo, fabricar materiales con estas propiedades siempre ha sido un desafío: la mayoría de los materiales que conducen la electricidad también conducen el calor, por lo que su temperatura se iguala rápidamente. Esto los hace ineficaces para generar electricidad y poco prácticos para la mayoría de las aplicaciones de calefacción o refrigeración.
Pero Dresselhaus, que investiga la física de los sólidos a nanoescala, dice que los dispositivos termoeléctricos serán viables cuando se comercialicen nuevos materiales nanoestructurados que ella y otros están diseñando en el laboratorio. Con Gang Chen en el MIT, Zhifeng Ren en Boston College y Jean-Pierre Fleurial en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, Dresselhaus está manipulando las propiedades de transporte de energía de los materiales a nanoescala para desarrollar buenos conductores eléctricos que sean malos conductores de calor. Al trabajar con compuestos hechos de materiales semiconductores complementarios como el telururo de bismuto y el germanio de silicio, los investigadores esperan crear materiales termoeléctricos dos veces más eficientes que sus contrapartes convencionales.
Los materiales termoeléctricos existentes ya tienen algunas aplicaciones, como asientos de automóvil con temperatura controlada individual que se pueden calentar de manera eficiente cuando están fríos o enfriados cuando están sudorosos. El sistema, fabricado por una empresa con sede en Michigan, mejora la economía de combustible y la comodidad: si está sentado en un asiento fresco, necesita menos aire acondicionado, señala Dresselhaus. Pero aún mejores serían las aplicaciones que capturan el calor residual, por ejemplo, del tubo de escape de un automóvil, y lo convierten en electricidad. A todos nos preocupa la energía sostenible, dice. Si pudiéramos reciclar el calor residual para generar energía, podríamos usarlo para algo útil.
El desafío actual es incorporar nanopartículas en estructuras lo suficientemente grandes como para conectarse a un sistema a escala humana. Con este fin, Dresselhaus exprime nanopartículas de silicio y germanio en un molde, luego las calienta y enfría rápidamente al vacío para compactarlas en barras de escala milimétrica. Al comprimir pequeñas partículas que difieren en composición y tamaño, aumenta el área de superficie dentro del material, creando una carrera de obstáculos de subestructuras internas a nanoescala que ralentizan la transferencia de calor mientras dejan pasar la energía eléctrica.
Los nuevos materiales podrían ayudar a los investigadores a convertir sistemas de refrigeración en microchips, reemplazar los sistemas HVAC basados en freón en los vehículos, hacer que los motores de los automóviles sean más eficientes y mejorar la eficiencia fotovoltaica aprovechando el calor solar y la luz. Si tuviéramos materiales mejorados que pudieran producirse de forma económica y en grandes cantidades, ciertamente la industria termoeléctrica podría avanzar más rápidamente, dice Dresselhaus. No terminará con los asientos para el automóvil.