El camino para convertir calor en electricidad mediante ciertos materiales porosos

Aproximadamente el 70 por ciento de toda la energía en el mundo se desperdicia en forma de calor. Cada máquina y dispositivo en nuestra vida, incluyendo desde el automóvil hasta el ordenador, suelen calentarse cuando funcionan, y desperdician mucha energía a través de la pérdida de ese calor que generan.

Los dispositivos termoeléctricos, que convierten el calor en electricidad y viceversa, pueden aprovechar ese calor residual, aunque todavía no han alcanzado un nivel de optimización lo bastante bueno como para que se implanten de forma sistemática. Esto podría cambiar en un futuro no muy lejano, y quizás una vía idónea para lograrlo sea la explorada en un estudio reciente, cuyos autores han documentado cómo exactamente ciertas sustancias porosas pueden actuar como materiales termoeléctricos. Esto abre las puertas hacia el desarrollo de dispositivos basados en tales materiales porosos con los que aprovechar de manera práctica y rentable el calor residual.

A fin de crear la tecnología necesaria para capturar este calor, investigadores de todo el mundo han estado intentando crear materiales termoeléctricos más eficientes. En ese sentido, una clase prometedora de materiales es la de los que están llenos de pequeños agujeros cuyos tamaños van de un micrón a un nanómetro de diámetro aproximadamente.

El calor viaja a través de un material en forma de “fonones”, definibles aquí como las partículas virtuales que transportan el calor, o más concretamente las vibraciones subyacentes. Cuando un fonón se mete en un agujero, se dispersa y pierde energía. Por tanto, los fonones no pueden transportar calor por un material poroso de forma tan eficiente, dando al material una conductividad térmica baja, que a su vez incrementa la eficiencia de la conversión del calor en electricidad. Cuanto más poroso es el material, más baja es la conductividad térmica, y mejor es como material termoeléctrico.

Esta ilustración esquemática muestra una configuración multicapa, con capas de diferente porosidad. Cada capa contiene una concentración de poros del mismo tamaño. En la ilustración sólo se muestra un grupo de tales partículas). (Imagen: APL Materials)

Antes del nuevo estudio, sin embargo, aún no se había modelado de forma sistemática cómo mantienen su baja conductividad térmica los materiales porosos. Ahora, el equipo de Dimitris Niarchos y Roland Tarkhanyan, del Centro Nacional de Investigación Científica Demócrito en Atenas, Grecia, ha resuelto por fin esa laguna en el conocimiento científico. Estos científicos han analizado a fondo las propiedades térmicas de las estructuras de cuatro modelos simples de materiales microporosos y nanoporosos. Este análisis proporciona un punto de partida para elaborar mejores diseños de tales materiales destinados a dispositivos termoeléctricos.

En general, los investigadores encontraron que cuanto más pequeños eran los poros examinados y más cerca estaban los unos de los otros, más baja era la conductividad térmica. Sus cálculos coinciden bien con los resultados de algunos otros experimentos. También muestran que, en principio, los materiales microporosos y nanoporosos pueden ser varias veces mejores en la conversión de calor en electricidad que si el material no tuviera poros.

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