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Mejorar la eficiencia termoeléctrica de los materiales nanoestructurados

Dos parámetros interdependientes —la conductividad eléctrica y el coeficiente Seebeck— han impedido mejorar el rendimiento termoeléctrico de los materiales nanoestructurados. Ahora, varios investigadores respaldados por la Unión Europea han desarrollado una teoría para superar este obstáculo.

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Se genera calor residual en cualquier lugar de nuestro entorno donde se efectúe un trabajo, por parte de los aparatos que funcionan en nuestros hogares, de los coches, trenes y autobuses, y de nuestras fábricas y centrales eléctricas. El uso de materiales termoeléctricos permite convertir todo este calor residual en energía eléctrica útil. Estos materiales deben contar con una alta conductividad eléctrica y una baja conductividad térmica. Sin embargo, los materiales termoeléctricos suelen ser ineficientes. Desde 2016, los investigadores respaldados por el proyecto NANOthermMA, financiado con fondos europeos, investigan la forma de nanoestructurar materiales para mejorar su eficiencia termoeléctrica. Esta eficiencia se caracteriza por la figura de mérito ZT. ZT es una función de la conductividad térmica, la conductividad eléctrica, la temperatura absoluta y el coeficiente Seebeck que mide la tensión inducida en respuesta a una diferencia de temperatura a través de un material termoeléctrico. Un material eficiente con baja conductividad térmica y alta conductividad eléctrica da lugar a un alto valor ZT. La nanoestructuración ya ha logrado reducciones significativas de la conductividad térmica, por lo que las mejoras adicionales deben centrarse en aumentar la conductividad eléctrica y mantener un alto coeficiente Seebeck. El problema es que estas dos cantidades son inversamente proporcionales entre sí, de modo que todo intento de aumentar una de ellas reduce la otra. En consecuencia, los investigadores de NANOthermMA han estado investigando la forma de nanoestructurar materiales que, como se describe debidamente en un artículo publicado en el sitio web «Open Access Government», «relajan la interdependencia adversa» entre la conductividad eléctrica y el coeficiente Seebeck. «A través de una serie de simulaciones numéricamente intensivas utilizando "software" avanzado desarrollado en el marco del proyecto, NANOthermMA ha demostrado teóricamente cómo puede la ingeniería a nanoescala superar la interdependencia adversa de estos parámetros e incluso multiplicar por veinte el factor de potencia, que es el producto de la conductividad eléctrica y el coeficiente Seebeck al cuadrado, una cantidad que afecta directamente al valor ZT», explica en el artículo el catedrático Neophytos Neophytou, coordinador del proyecto en la Universidad de Warwick.

Geometría del material nanoestructurado

La solución del equipo de investigación radica en las características nanoestructuradas, como los nanogranos y los límites de grano. «En esta geometría se inserta una especie adicional de átomos dopantes en regiones específicas; los átomos dopantes son impurezas que aumentan la conductividad eléctrica del material. Si se diseñan con atención los tamaños de los dominios, la naturaleza de los límites y la distribución de los dopantes, se puede lograr que la conductividad eléctrica esté determinada principalmente por los nanodominios, mientras que el coeficiente Seebeck depende de los límites, de modo que ambos pueden ajustarse por separado», explica Neophytou. El diseño de los materiales nanoestructurados puede mejorarse aún más por medio de la nanoestructuración jerárquica, con la que se insertan nanoinclusiones en los nanodominios, lo que ayuda a reducir aún más la conductividad térmica y conlleva la ventaja adicional de mejorar el coeficiente Seebeck de forma independiente. El equipo de NANOthermMA (Advanced Simulation Design of Nanostructured Thermoelectric Materials with Enhanced Power Factors) investigará si esta teoría puede llevarse a la práctica. Si lo logra, podría abrir la vía a materiales termoeléctricos con altos valores ZT y, en última instancia, a una mayor eficiencia. Para obtener más información, consulte: Sitio web del proyecto

Palabras clave

NANOthermMA, conductividad eléctrica, conductividad térmica, coeficiente Seebeck, termoeléctrico, nanoestructurado

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