Revolucionario motor: Limpio, eficiente y a precio de térmico

El nuevo dispositivo utiliza materiales termoacústicos para obtener una mayor eficiencia.

Una startup ha desarrollado un nuevo tipo de motor que podría generar electricidad con la misma eficiencia que una célula de combustible, pero que cuesta tan poco como un motor de combustión interna. Etalim, con sede en Vancouver, Canadá, afirma que su motor, aproximadamente del tamaño de una pelota de baloncesto, podría mejorar la economía de la producción de electricidad para la cogeneración de electricidad y calor en los hogares, y como una manera de aprovechar el calor producido en los captadores solares. La empresa ha creado un prototipo, pero aún tiene que lograr hacer realidad los números de eficiencia—de más del 40 por ciento—que sus modelos de ordenador indican como posibles.
El dispositivo comparte algunos de los principios de un motor de Stirling, en el que se utiliza una fuente de calor externa para expandir una cantidad fija de gas de trabajo (generalmente helio), que luego se contrae cuando es liberado en un espacio más frío. Este ciclo de expansión-contracción se repite, convertiendo el calor en trabajo mecánico mediante el movimiento de un pistón.
El director general de Etalim, Ron Klopfer, señala que un problema fundamental de los motores Stirling es que para ser eficientes necesitan operar a temperaturas y presiones muy altas, lo que hace difícil mantener el gas sellado en el interior del cilindro que encierra el pistón. "A estas temperaturas, no se pueden utilizar los métodos tradicionales de sellado", indica él. "No se puede utilizar ni caucho, ni lubricantes. Tiene que ser metal seco sobre metal seco, y este tipo de piezas de alta precisión son muy caras y provocan que el coste final sea muy alto."
El fundador Etalim y director científico de Etalim, Thomas Steiner, vio la oportunidad de eliminar todas las superficies rozantes y los sellos que son propensos al desgaste y a las fugas utilizando un diseño basado en materiales termoacústicos—los cuales utilizan el calor para controlar la intensidad de las ondas de sonido dentro de una cavidad sellada.
Encerrada en el núcleo del motor de Etalim se encuentra una placa de metal que reemplaza la función del pistón en un motor Stirling convencional. Cuando el helio que se encuentra en la parte superior de la placa metálica se calienta, las ondas sonoras que viajan a través del gas son amplificadas, provocando que la placa empiece a vibrar, lo que hace que un diafragma metálico que se encuentra en la parte inferior (separado por una capa de helio más frío) empuje un eje hacia abajo. Toda fricción mecánica ha sido eliminada. El eje está conectado a un alternador que produce electricidad.
La vibración de la placa sólo mueve el eje dos décimas de milímetro por ciclo, por lo que prácticamente no se mueve helio con cada ciclo. Sin embargo, el motor alcanza los 500 ciclos por segundo. "Si nos vamos a las altas frecuencias, podemos obtener más energía con él", afirma Greg Swift, experto en termoacústicos de Laboratorios Nacionales Los Alamos, quien vio una primera versión del motor de Etalim. "Steiner realmente ha hecho un buen trabajo tomando una dirección [de diseño] diferente y no cometiendo ningún error."

Según especifica la empresa en su web, el TEG Etalim puede lograr un extraordinario conjunto de avances de resultados:

• Muy alta eficiencia - casi el doble de la eficiencia de otros motores pequeños
• Operación de cualquier fuente de calor, o de combustible
• Cero fricción o desgaste mecánico
• Cero mantenimiento durante una vida útil de varias décadas
• Muy bajo coste - arquitectura simple con materiales estándar y los procesos de producción

La empresa tiene metas ambiciosas. Un primer prototipo, terminado el año pasado, demostró que el concepto funciona, pero se utilizó una cantidad de calor relativamente baja, por lo que su eficacia fue sólo del 10 por ciento. Para esta primavera se espera un segundo prototipo que tiene como objetivo entre un 20 y 30 por ciento de eficiencia a 500°C. Además tienen la meta de realizar un producto comercial con una eficiencia del 40 por ciento a 700°C.
En un principio se venderá como un competidor más barato y de mayor duración que las pilas de combustible utilizadas para la cogeneración residencial. La empresa cree que puede fabricar un motor de menos de 1 dólar por vatio, y tiene el objetivo a largo plazo de llegar a los 15 céntimos de dólar por vatio, lo que lo haría más barato que un motor de combustión interna comparable.
"Todo lo que nos lleva a la eficiencia del 40 por ciento se encuentra en línea con lo que hemos visto en nuestro prototipo hasta el momento", afirma Klopfer, añadiendo que el 50 por ciento es la meta a más largo plazo. "Para ir del 40 al 50 por ciento, tendremos que elevar la temperatura a 1.000°C, y esto requerirá el uso de materiales cerámicos".
Mike Hayden, profesor de física en la Universidad Simon Fraser, destaca que el diseño de Etalim es prometedor, pero que aún queda mucho trabajo de ingeniería para demostrar que el dispositivo puede mantener las altas temperaturas y lograr el tipo de eficiencia que lo hacen destacar. "Sin embargo, no hay duda de que esta empresa cuenta con algo interesante".
Fuente: Technology Review , Etalim
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