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Perseverance, el explorador de Marte de la NASA para 2020, se alimenta de algo muy deseable aquí en la Tierra: un dispositivo termoeléctrico, que convierte el calor en electricidad útil.
En Marte, la fuente de calor es la desintegración radiactiva del plutonio, y la eficiencia de conversión del dispositivo es del 4-5%. Esto es suficiente para alimentar a Perseverance y sus operaciones, pero no es lo suficientemente bueno para las aplicaciones en la Tierra.
Un equipo de científicos de la Universidad Northwestern y la Universidad Nacional de Seúl (Corea) ha demostrado un material termoeléctrico de alto rendimiento en una forma práctica que puede utilizarse para el desarrollo de dispositivos. El material, seleniuro de estaño purificado en forma policristalina, supera a la forma monocristalina en la conversión de calor en electricidad, lo que lo convierte en el sistema termoeléctrico más eficiente del que se tiene constancia. Los investigadores lograron esta elevada tasa de conversión tras identificar y eliminar un problema de oxidación que había degradado el rendimiento en estudios anteriores.
El seleniuro de estaño policristalino podría desarrollarse para su uso en dispositivos termoeléctricos de estado sólido en diversas industrias, con un potencial de ahorro energético enorme. Una de las principales aplicaciones es capturar el calor residual de la industria -como el de las centrales eléctricas, la industria del automóvil y las fábricas de vidrio y ladrillos- y convertirlo en electricidad. Más del 65% de la energía producida en el mundo a partir de combustibles fósiles se pierde en manera de calor residual.
"Los dispositivos termoeléctricos se utilizan, pero solo en aplicaciones de nicho, como en el explorador de Marte", explica Mercouri Kanatzidis, químico de Northwestern especializado en el diseño de nuevos materiales. "Estos dispositivos no se han puesto de moda como las células solares, y existen importantes retos para fabricar unos buenos. Nos centramos en desarrollar un material que sea de bajo coste y alto rendimiento y que impulse los dispositivos termoeléctricos hacia una aplicación más generalizada."
Kanatzidis, catedrático de química Charles E. y Emma H. Morrison de la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg, es uno de los autores del estudio. Tiene un nombramiento conjunto con el Laboratorio Nacional de Argonne.
Los detalles del material termoeléctrico y su rendimiento récord se publicarán el 2 de agosto en la revista Nature Materials.
In Chung, de la Universidad Nacional de Seúl, es el otro autor del artículo. Vinayak Dravid, catedrático Abraham Harris de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, es uno de los autores principales del estudio. Dravid es un antiguo colaborador de Kanatzidis.
Los dispositivos termoeléctricos ya están bien definidos, dice Kanatzidis, pero lo que hace que funcionen bien o no es el material termoeléctrico que llevan dentro. Un lado del dispositivo está caliente y el otro frío. El material termoeléctrico se encuentra en el medio. El calor fluye a través del material, y parte del calor se convierte en electricidad, que sale del dispositivo a través de cables.
El material tiene que tener una conductividad térmica extremadamente baja y, al mismo tiempo, una buena conductividad eléctrica para ser eficiente en la conversión del calor residual. Y como la fuente de calor puede alcanzar los 400-500 grados Celsius, el material debe ser estable a temperaturas muy altas. Estos y otros retos hacen que los dispositivos termoeléctricos sean más difíciles de producir que las células solares.
'Algo diabólico estaba ocurriendo'
En 2014, Kanatzidis y su equipo informaron del descubrimiento de un material sorprendente que era el mejor del mundo para convertir el calor residual en electricidad útil: la forma cristalina del compuesto químico seleniuro de estaño. Aunque se trata de un descubrimiento importante, la forma monocristalina es poco práctica para la producción en masa debido a su fragilidad y tendencia a escamarse.
El seleniuro de estaño en forma policristalina, que es más resistente y puede cortarse y moldearse para sus aplicaciones, era necesario, así que los investigadores se dedicaron a estudiar el material en esa forma. La desagradable sorpresa fue que descubrieron que la conductividad térmica del material era alta, y no el bajo nivel deseable que se encuentra en la forma monocristalina.
"Nos dimos cuenta de que estaba ocurriendo algo diabólico", dijo Kanatzidis. "Lo que se esperaba era que el seleniuro de estaño en forma policristalina no tuviera una alta conductividad térmica, pero la tenía. Teníamos un problema".
Tras un examen más detallado, los investigadores descubrieron una piel de estaño oxidado en el material. El calor fluía a través de la piel conductora, aumentando la conductividad térmica, lo que no es deseable en un dispositivo termoeléctrico.
Se encuentra una solución que abre puertas
Tras averiguar que la oxidación procedía tanto del propio proceso como de los materiales de partida, el equipo coreano encontró una forma de eliminar el oxígeno. Así, los investigadores pudieron producir gránulos de seleniuro de estaño sin oxígeno, que luego probaron.
Se midió la verdadera conductividad térmica de la forma policristalina y se comprobó que era menor, como se esperaba en un principio. Su rendimiento como dispositivo termoeléctrico, convirtiendo el calor en electricidad, superó al de la forma monocristalina, convirtiéndolo en el más eficiente del que se tiene constancia.
La eficiencia de la conversión del calor residual en los termoeléctricos se refleja en su "figura de mérito", un número llamado ZT. Cuanto más alto sea el número, mejor será la tasa de conversión. El ZT del seleniuro de estaño monocristalino era de aproximadamente 2,2 a 2,6 a 913 Kelvin. En este nuevo estudio, los investigadores descubrieron que el seleniuro de estaño purificado en forma policristalina tenía una ZT de aproximadamente 3,1 a 783 Kelvin. Su conductividad térmica era ultrabaja, inferior a la de los monocristales.
"Esto abre la puerta a la construcción de nuevos dispositivos a partir de gránulos de seleniuro de estaño policristalino y a la exploración de sus aplicaciones", dijo Kanatzidis.
Northwestern posee la propiedad intelectual del material de seleniuro de estaño. Entre las posibles áreas de aplicación del material termoeléctrico se encuentran la industria del automóvil (una cantidad significativa de la energía potencial de la gasolina sale por el tubo de escape de un vehículo), las industrias de fabricación pesada (como la fabricación de vidrio y ladrillos, las refinerías, las centrales eléctricas de carbón y gas) y los lugares en los que los grandes motores de combustión funcionan de forma continua (como en los grandes barcos y petroleros).
El título del artículo es "SnSe policristalino con una cifra de mérito termoeléctrica superior a la del monocristal".
Fuentes, créditos y referencias:
Polycrystalline SnSe with a thermoelectric figure of merit greater than the single crystal, Nature Materials (2021). DOI: 10.1038/s41563-021-01064-6 , www.nature.com/articles/s41563-021-01064-6