Mejora espectacular de la conversión de calor en electricidad

Se ha logrado dar con un modo de mejorar radicalmente los materiales termoeléctricos, un hallazgo que podría conducir algún día al desarrollo de mejores paneles solares, aparatos de refrigeración con mayor eficiencia energética, e incluso la creación de nuevos dispositivos capaces de convertir en electricidad adicional la enorme cantidad de calor desperdiciado en las centrales eléctricas.
La nueva tecnología, basada en construir un conjunto de columnas nanométricas encima de una lámina de material termoeléctrico, representa una forma del todo nueva de abordar un problema centenario.

El efecto termoeléctrico, descubierto en el siglo XIX, consiste en la capacidad de generar una corriente eléctrica a partir de una diferencia de temperatura entre un lado de un material y el otro. Y, a la inversa, la aplicación de un voltaje eléctrico a un material termoeléctrico puede causar que un lado del material se caliente, mientras que el otro se mantiene frío, o, alternativamente, que un lado se enfríe mientras que el otro permanece caliente.
Se han empleado dispositivos que incorporan materiales termoeléctricos de las dos formas: para crear electricidad a partir de una fuente de calor, como el Sol, por ejemplo, o para enfriar instrumentos de precisión consumiendo electricidad.
Sin embargo, el uso amplio de materiales termoeléctricos se ha visto dificultado por un problema fundamental que ha mantenido ocupados a los científicos durante décadas. Los materiales que permiten a la electricidad fluir a través de ellos también hacen lo mismo con el calor. Esto significa que en cuanto una diferencia de temperatura crea un potencial eléctrico, esta diferencia empieza a disiparse, debilitando la corriente que creó.
Hasta los años 90, los científicos se enfrentaron a este problema buscando materiales con propiedades intrínsecas que permitían a la electricidad fluir más fácilmente que el calor.
La entrada en escena de la nanotecnología abrió nuevas oportunidades.
Utilizando nanotecnología, los físicos de materiales empezaron a crear barreras en materiales termoeléctricos, como agujeros o partículas, que impedían el paso del flujo de calor más que el del flujo de electricidad. Pero incluso en el mejor de los casos, el flujo de electrones, que transportan la energía eléctrica, también se veía enlentecido.
Ahora, el equipo de Mahmoud Hussein y Bruce Davis, de la Universidad de Colorado en la ciudad estadounidense de Boulder, ha demostrado que se podría usar la nanotecnología de una forma totalmente diferente para enlentecer la transferencia de calor sin afectar al movimiento de los electrones.
 El nuevo concepto implica construir una celosía de pilares a escala nanométrica sobre una hoja de material termoeléctrico, como el silicio, para formar lo que los autores de la investigación definen como metamaterial nanofónico. El calor es transportado a través del material como un tipo de vibraciones de lo que se conoce como fonones. Los átomos que forman los pilares en miniatura también vibran en diversas frecuencias. Davis y Hussein utilizaron un modelo informático para mostrar que las vibraciones de los pilares interactuarían con las de los fonones, enlenteciendo el flujo de calor. No se espera que las vibraciones de los pilares afecten a la corriente eléctrica.
El equipo de investigación estima que los pilares a nanoescala podrían reducir a la mitad el flujo de calor a través de un material, pero la reducción podría ser significativamente mayor porque los cálculos se hicieron de manera muy conservadora, según explica Hussein.
Si, tal como parece, ésta es una vía práctica de mejorar considerablemente la conversión de energía termoeléctrica, habrá todo tipo de importantes aplicaciones prácticas. Entre ellas, se incluye la recaptura del calor residual emitido por todo tipo de equipamientos, desde ordenadores de sobremesa a centrales eléctricas, y convertir ese calor en electricidad. Sistemas termoeléctricos mejores podrían asimismo mejorar grandemente la eficiencia de los paneles solares y de los dispositivos de refrigeración.
El próximo paso para Hussein es entablar colaboraciones con colegas del departamento de física de su universidad y de otras instituciones para fabricar los pilares, a fin de que la idea pueda ser ensayada en el laboratorio.
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