Perseverance, el rover Mars 2020 de la NASA, funciona con algo muy deseable aquí en la Tierra: un dispositivo termoeléctrico que convierte el calor en electricidad útil.
por la Universidad Northwestern
En Marte, la fuente de calor es la desintegración radiactiva del plutonio y la eficiencia de conversión del dispositivo es del 4-5%. Eso es lo suficientemente bueno para impulsar Perseverance y sus operaciones, pero no lo suficientemente bueno para aplicaciones en la Tierra.
Un equipo de científicos de la Universidad Northwestern y la Universidad Nacional de Seúl en Corea ahora ha demostrado un material termoeléctrico de alto rendimiento en una forma práctica que se puede utilizar en 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 registrado. Los investigadores pudieron lograr la alta tasa de conversión después de 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 una variedad de industrias, con ahorros de energía potencialmente enormes. Un objetivo de aplicación clave es capturar el calor residual industrial, como el de las plantas de energía, la industria automotriz y las fábricas de vidrio y ladrillos, y convertirlo en electricidad. Más del 65% de la energía producida a nivel mundial a partir de combustibles fósiles se pierde como calor residual.
«Los dispositivos termoeléctricos están en uso, pero solo en aplicaciones específicas, como en el rover de Marte», dijo Mercouri Kanatzidis de Northwestern, un químico que se especializa en el diseño de nuevos materiales. «Estos dispositivos no se han popularizado como las células solares , y existen desafíos importantes para hacer buenos. Nos estamos enfocando en desarrollar un material que sea de bajo costo y alto rendimiento y que impulse los dispositivos termoeléctricos a una aplicación más generalizada».
Kanatzidis, profesora de Química Charles E. y Emma H. Morrison en la Facultad de Artes y Ciencias de Weinberg, es coautora del estudio. Tiene una cita conjunta con ArgonneNational Laboratory.
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 coautor del artículo. Vinayak Dravid, profesor Abraham Harris de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, es uno de los autores principales del estudio. Dravid es un colaborador de Kanatzidis desde hace mucho tiempo.
Los dispositivos termoeléctricos ya están bien definidos, dice Kanatzidis, pero lo que hace que funcionen bien o no es el material termoeléctrico en su interior. 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 debe tener una conductividad térmica extremadamente baja y, al mismo tiempo, conservar una buena conductividad eléctrica para ser eficiente en la conversión del calor residual. Y debido a que la fuente de calor puede alcanzar los 400-500 grados Celsius, el material debe ser estable a temperaturas muy altas. Estos y otros desafíos hacen que los dispositivos termoeléctricos sean más difíciles de producir que las células solares.
‘Algo diabólico estaba pasando’
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. Si bien es un descubrimiento importante, la forma monocristalina no es práctica para la producción en masa debido a su fragilidad y tendencia a descascararse.
Se necesitaba seleniuro de estaño en forma policristalina, que es más fuerte y se puede cortar y moldear para aplicaciones, por lo que los investigadores se dedicaron a estudiar el material en esa forma. En una desagradable sorpresa, encontraron que la conductividad térmica del material era alta, no el nivel bajo deseable que se encuentra en la forma monocristalina.
«Nos dimos cuenta de que estaba sucediendo algo diabólico», dijo Kanatzidis. «La expectativa era que el seleniuro de estaño en forma policristalina no tendría una alta conductividad térmica, pero la tenía. Tuvimos un problema».
Tras un examen más detenido, los investigadores descubrieron una capa de estaño oxidado en el material. El calor fluyó a través de la piel conductora, aumentando la conductividad térmica, lo cual no es deseable en un dispositivo termoeléctrico .
Se encuentra una solución, abriendo puertas
Después de enterarse de que la oxidación provenía tanto del proceso en sí como de los materiales de partida, el equipo coreano encontró una forma de eliminar el oxígeno. Luego, los investigadores pudieron producir gránulos de seleniuro de estaño sin oxígeno, que luego probaron.
Se midió la conductividad térmica real de la forma policristalina y se encontró que era menor, como se esperaba originalmente. Su rendimiento como dispositivo termoeléctrico, que convierte el calor en electricidad, superó al de la forma monocristalina, lo que lo convierte en el más eficiente registrado.
La eficiencia de la conversión de calor residual en termoeléctricas se refleja en su «figura de mérito», un número llamado ZT. Cuanto mayor sea el número, mejor será la tasa de conversión. Se encontró anteriormente que la ZT del seleniuro de estaño monocristalino era de aproximadamente 2,2 a 2,6 a 913 Kelvin. En este nuevo estudio, los investigadores encontraron que el seleniuro de estaño purificado en forma policristalina tenía un ZT de aproximadamente 3,1 a 783 Kelvin. Su conductividad térmica era ultrabaja, más baja que la de los monocristales.
«Esto abre la puerta para que se construyan nuevos dispositivos a partir de pellets de seleniuro de estaño policristalino y se exploren sus aplicaciones», dijo Kanatzidis.
Northwestern posee la propiedad intelectual del material de seleniuro de estaño . Las áreas potenciales de aplicación para el material termoeléctrico incluyen la industria del automóvil (una cantidad significativa de la energía potencial de la gasolina sale del tubo de escape de un vehículo), industrias de fabricación pesada (como la fabricación de vidrio y ladrillos, refinerías, plantas de energía de carbón y gas) y lugares donde los grandes motores de combustión operan continuamente (como en grandes barcos y petroleros).
El título del trabajo es «SnSe policristalino con una figura termoeléctrica de mérito mayor que el monocristal».
