Futuro dorado para la termoeléctrica
Material de récord
Investigadores de la Universidad Técnica de Viena descubren las excelentes propiedades termoeléctricas de las aleaciones de níquel y oro. Éstas pueden utilizarse para convertir eficazmente el calor en energía eléctrica.
Dibujo esquemático del efecto termoeléctrico en aleaciones de níquel-oro.
Fabian Garmroudi
Los termoeléctricos permiten convertir directamente el calor en energía eléctrica y viceversa. Esto los hace interesantes para toda una serie de aplicaciones tecnológicas. En la búsqueda de materiales termoeléctricos con las mejores propiedades posibles, un equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena estudió varias aleaciones metálicas. Una mezcla de níquel y oro resultó especialmente prometedora. Los investigadores acaban de publicar sus resultados en la revista Science Advances.
Utilizar la termoelectricidad para generar electricidad no es nada nuevo. Desde mediados del siglo XX se utilizan para generar energía eléctrica en la exploración espacial, pero los termoeléctricos también se emplean en aplicaciones cotidianas como los frigoríficos portátiles. Además, también podrían utilizarse en entornos industriales para convertir el calor residual en electricidad ecológica, por citar sólo una de las aplicaciones potenciales.
Cómo funciona la termoelectricidad
El efecto termoeléctrico se basa en el movimiento de partículas cargadas que migran del lado más caliente al más frío de un material. Esto da lugar a una tensión eléctrica -la llamada tensión termoeléctrica- que contrarresta el movimiento de excitación térmica de los portadores de carga. La relación entre la tensión termoeléctrica acumulada y la diferencia de temperatura define el coeficiente Seebeck, llamado así por el físico alemán Thomas Johann Seebeck, que es un parámetro importante para el rendimiento termoeléctrico de un material. El requisito importante aquí es que haya un desequilibrio entre las cargas positivas y negativas, ya que se compensan mutuamente.
"Aunque Seebeck descubrió el efecto termoeléctrico en metales comunes hace más de 200 años, hoy en día los metales apenas se consideran materiales termoeléctricos porque suelen tener un coeficiente Seebeck muy bajo", explica Fabian Garmroudi, primer autor del estudio. Por un lado, metales como el cobre, la plata o el oro tienen una conductividad eléctrica extremadamente alta; por otro, su coeficiente Seebeck es insignificante en la mayoría de los casos.
Aleaciones de níquel y oro con propiedades excepcionales
Físicos del Instituto de Física del Estado Sólido (TU Wien) han logrado encontrar aleaciones metálicas con una conductividad elevada y un coeficiente Seebeck excepcionalmente grande. La mezcla del metal magnético níquel con el metal noble oro cambia radicalmente las propiedades electrónicas. En cuanto desaparece el color amarillento del oro al añadirle aproximadamente un 10% de níquel, el rendimiento termoeléctrico aumenta rápidamente. El origen físico del efecto Seebeck reforzado radica en el comportamiento de dispersión de los electrones en función de la energía, un efecto fundamentalmente distinto de los termoeléctricos semiconductores. Debido a las particulares propiedades electrónicas de los átomos de níquel, las cargas positivas se dispersan con más fuerza que las negativas, lo que provoca el desequilibrio deseado y, por tanto, un alto voltaje termoeléctrico.
"Imaginemos una carrera entre dos corredores, en la que uno corre por una pista libre, pero el otro tiene que sortear muchos obstáculos. Por supuesto, la persona que corre por la pista libre avanza más rápido que su oponente, que tiene que frenar y cambiar de dirección mucho más a menudo", compara Andrej Pustogow, autor principal del estudio El flujo de electrones en los termoeléctricos metálicos. En las aleaciones estudiadas aquí, las cargas positivas son fuertemente dispersadas por los electrones del níquel, mientras que las negativas pueden moverse prácticamente sin ser molestadas.
Un material que bate récords
La combinación de una conductividad eléctrica extremadamente alta y, al mismo tiempo, un elevado coeficiente Seebeck conduce a valores récord del factor de potencia termoeléctrica en las aleaciones de níquel-oro, que superan con creces los de los semiconductores convencionales. "Con la misma geometría y un gradiente de temperatura fijo, se podría generar muchas veces más potencia eléctrica que en cualquier otro material conocido", explica Fabian Garmroudi. Además, la alta densidad de potencia podría permitir en el futuro aplicaciones cotidianas en el sector a gran escala. "Ya con el rendimiento actual, los smartwatches, por ejemplo, podrían cargarse de forma autónoma utilizando el calor corporal del usuario", pone como ejemplo Andrej Pustogow.
El níquel-oro es sólo el principio
"Aunque el oro es un elemento caro, nuestro trabajo representa una prueba de concepto. Hemos podido demostrar que no sólo los semiconductores, sino también los metales pueden presentar buenas propiedades termoeléctricas que los hacen relevantes para diversas aplicaciones. Las aleaciones metálicas tienen varias ventajas sobre los semiconductores, especialmente en el proceso de fabricación de un generador termoeléctrico", explica Michael Parzer, uno de los autores principales del estudio.
El hecho de que los investigadores fueran capaces de demostrar experimentalmente que las aleaciones de níquel y oro son extremadamente buenas termoeléctricas no es casualidad. "Incluso antes de iniciar nuestro trabajo experimental, calculamos con modelos teóricos qué aleaciones eran las más adecuadas", revela Michael Parzer. Actualmente, el grupo también está investigando otros candidatos prometedores que no requieran el costoso elemento oro.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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