Casi el 70 por ciento de la energía producida en los Estados Unidos cada año se desperdicia en forma de calor. Gran parte de ese calor es inferior a 100 grados Celsius y emana de cosas como computadoras, automóviles o grandes procesos industriales. Los ingenieros de la Universidad de California, Berkeley, han desarrollado un sistema de película delgada que se puede aplicar a fuentes de calor residual como estas para producir energía a niveles sin precedentes para este tipo de tecnología.
El sistema de película delgada usa un proceso llamado conversión de energía piroeléctrica, que el nuevo estudio de los ingenieros demuestra que es muy adecuado para aprovechar los suministros de energía de calor residual por debajo de 100 grados Celsius, llamado calor residual de baja calidad. La conversión de energía piroeléctrica, al igual que muchos sistemas que convierten el calor en energía, funciona mejor utilizando ciclos termodinámicos, algo así como el funcionamiento del motor de un automóvil. Pero a diferencia del motor de su automóvil, la conversión de energía piroeléctrica se puede realizar completamente en estado sólido sin partes móviles, ya que convierte el calor residual en electricidad.
Los nuevos resultados sugieren que esta tecnología nanoscópica de película delgada podría ser particularmente atractiva para la instalación y la recolección del calor residual de la electrónica de alta velocidad, pero podría tener un amplio espectro de aplicaciones. Para fuentes de calor fluctuantes, el estudio informa que la película delgada puede convertir el calor residual en energía utilizable con mayor densidad de energía, densidad de potencia y niveles de eficiencia que otras formas de conversión de energía piroeléctrica.
“Sabemos que necesitamos nuevas fuentes de energía , pero también debemos mejorar la utilización de la energía que ya tenemos”, dijo el autor principal Lane Martin, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales. “Estas películas delgadas nos pueden ayudar a exprimir más energía de la que tenemos hoy en día de cada fuente de energía”.
La investigación se publicará el 16 de abril en la revista Nature Materials . La investigación fue financiada, en parte, por subvenciones de la Army Research Office y la National Science Foundation.
El comportamiento piroeléctrico se conoce desde hace mucho tiempo, pero la medición precisa de las propiedades de las versiones de película delgada de los sistemas piroeléctricos sigue siendo un desafío. Una contribución significativa del nuevo estudio es desmitificar ese proceso y mejorar la comprensión de la física piroeléctrica.
El equipo de investigación de Martin sintetizó versiones de película fina de materiales de solo 50-100 nanómetros de espesor y luego, junto con el grupo de Chris Dames, profesor asociado de ingeniería mecánica en Berkeley, fabricó y probó las estructuras de dispositivos piroeléctricos basadas en estas películas. Estas estructuras permiten a los ingenieros medir simultáneamente la temperatura y las corrientes eléctricas creadas, y el calor de la fuente para probar las capacidades de generación de energía del dispositivo, todo en una película de menos de 100 nanómetros de grosor.
“Al crear un dispositivo de película delgada, podemos introducir y extraer el calor de este sistema rápidamente, lo que nos permite acceder a la energía piroeléctrica a niveles sin precedentes para fuentes de calor que fluctúan con el tiempo”, dijo Martin. “Todo lo que estamos haciendo es obtener calor y aplicar campos eléctricos a este sistema, y podemos extraer energía”.
Este estudio reporta nuevos registros de densidad de energía de conversión de energía piroeléctrica (1.06 Joules por centímetro cúbico), densidad de potencia (526 vatios por centímetro cúbico) y eficiencia (19 por ciento de la eficiencia de Carnot, que es la unidad de medida estándar para la eficiencia de un calor motor).
Los próximos pasos en esta línea de investigación serán optimizar mejor los materiales de película delgada a las temperaturas y flujos de calor residuales específicos.
“Parte de lo que estamos tratando de hacer es crear un protocolo que nos permita impulsar los extremos de los materiales piroeléctricos para que pueda darme una corriente de calor residual y pueda obtener un material optimizado para abordar sus problemas”, Martin dijo.
