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Transformando el calor residual en energía limpia


¿Sientes el calor que sale de tu computadora o celular? Eso es energía desperdiciada irradiando desde el dispositivo. Con los automóviles, se estima que el 60% de la eficiencia del combustible se pierde debido al calor residual. ¿Es posible capturar esta energía y convertirla en electricidad?


por Aaron Dubrow, Universidad de Texas en Austin


Los investigadores que trabajan en el área de generación de energía termoeléctrica dicen absolutamente. Pero si se puede hacer de manera rentable sigue siendo una pregunta.

Por ahora, los generadores termoeléctricos son una rareza, utilizados principalmente en aplicaciones de nicho como sondas espaciales, donde el reabastecimiento de combustible no es una posibilidad. La termoelectricidad es un área activa de investigación, particularmente entre compañías de automóviles como BMW y Audi. Sin embargo, hasta la fecha, el costo de convertir el calor en electricidad ha resultado ser más costoso que la electricidad en sí misma.

Anveeksh Koneru, profesor titular de ingeniería mecánica en la Universidad de Texas Permian Basin (UTPB), está explorando un nuevo método para capturar el calor residual mediante el aprovechamiento de los movimientos mecánicos cuánticos de los electrones en materiales polarizados por rotación.

En la física de partículas, el espín es una forma intrínseca de momento angular transportado por partículas elementales, partículas compuestas (hadrones) y núcleos atómicos. A través de un mecanismo conocido como el efecto Spin Hall, se ha demostrado que se puede generar un voltaje mediante el aprovechamiento de las diferencias en las poblaciones de espines en un contacto metálico unido a un material ferromagnético . Primero demostrada experimentalmente por investigadores japoneses en 2008, la idea se ha filtrado a través de la ciencia de los materiales por un tiempo, pero aún tiene que encontrar su forma óptima.

Koneru cree que, en el óxido de cobalto, pudo haber encontrado el material correcto para aprovechar el efecto de la producción de energía. Los óxidos de cobalto, un compuesto inorgánico utilizado en la industria de la cerámica para crear esmaltes de color azul y en las tecnologías de separación de agua, poseen la capacidad única de aceptar cationes de metales de transición sustitutos, lo que les permite mezclarse con níquel, cobre, manganeso o zinc. Estos metales tienen propiedades magnéticas que pueden aumentar la separación entre los electrones que giran hacia arriba y hacia abajo y mejorar la conversión de calor en electricidad.

«El material debe ser un buen conductor eléctrico, pero un mal conductor térmico. Debe conducir electrones, pero no fonones, que son calor», dijo Koneru. «Para estudiar esto experimentalmente, tendríamos que fabricar miles de combinaciones diferentes de materiales. En su lugar, estamos tratando de calcular teóricamente cuál es la configuración óptima del material mediante sustituciones».

Desde 2018, Koneru ha estado usando supercomputadoras en el Centro de computación avanzada de Texas (TACC) para probar virtualmente los perfiles de energía de una variedad de óxidos de cobalto con un rango de sustituciones.

«Cada calibración toma de 30 a 40 horas de tiempo de computación, y tenemos que estudiar al menos entre 1.000 y 1.500 configuraciones diferentes», explicó. «Requiere una gran facilidad de cómputo y eso es lo que proporciona TACC».

Koneru, junto con los estudiantes graduados de la UTPB, Gustavo Damis Resende, Nolan Hines, y un colaborador de la Universidad de Virginia Occidental, Terence Musho, presentaron sus hallazgos iniciales sobre la capacidad termoeléctrica de los óxidos de cobalto en la reunión de primavera de la Sociedad de Investigación de Materiales en Phoenix, Arizona, en abril 22.

Los investigadores estudiaron células unitarias de 56 átomos de tres configuraciones de óxido de cobalto, sintonizadas por sustituciones de níquel y zinc, para lograr un rendimiento termoeléctrico óptimo. Utilizaron un paquete de software conocido como Quantum ESPRESSO para calcular las características físicas de cada configuración. Éstos incluyen:

  • el intervalo de banda: la energía mínima requerida para excitar un electrón a un estado en el que conduce la energía, el parámetro de red: las dimensiones físicas de las células en una red cristalina;
  • la masa efectiva de electrones de conducción: la masa que una partícula parece tener cuando responde a la fuerza;
  • y la polarización del giro: el grado en que el giro se alinea con una dirección dada.

Estas propiedades fundamentales se utilizaron para realizar cálculos convencionales de carga y transporte de espín, lo que les dice a los investigadores qué tan bien una configuración del óxido de cobalto puede convertir el calor en electricidad.

Según los investigadores, el método desarrollado en esta investigación se puede aplicar a otros materiales termoeléctricos interesantes con propiedades magnéticas y semiconductoras, lo que lo hace ampliamente útil para la comunidad científica de los materiales.

Transformando el calor residual en energía limpia.
Los nuevos nanomateriales pueden convertir el calor residual en electricidad utilizable para vehículos y otros sistemas. Investigadores de la Cuenca Permiana de la Universidad de Texas están utilizando supercomputadoras en TACC para encontrar configuraciones óptimas de materiales para el trabajo. Crédito: Ruben de Rijcke, Creative Commons

UTILIZANDO LA INVESTIGACIÓN DE LA CIUDADANCIA

Como un Ph.D. estudiante de la Universidad de West Virginia, Koneru tuvo acceso a grandes supercomputadoras para realizar su investigación. Aunque UTPB no tiene dichos recursos a nivel local, pudo aprovechar los sistemas y servicios informáticos avanzados de TACC a través de la iniciativa UT Research Cyberinfrastructure (UTRC), que, desde 2007, ha proporcionado a investigadores de cualquiera de los 14 sistemas de la Universidad de Texas. Las instituciones acceden a los recursos, la experiencia y la capacitación de TACC.

Como parte de la iniciativa UTRC, el personal de TACC actúa como enlace, visitando los 14 campus de UT System, ofreciendo capacitación y consultas, e introduciendo a los investigadores los recursos disponibles para ellos. Cuando el investigador de TACC, Ari Kahn, visitó la UTPB, conoció a Koneru y lo alentó a computar en TACC.

Desde entonces, Koneru ha estado utilizando Lonestar5, un sistema exclusivo para investigadores de UT System, para su trabajo. Aunque todavía se encuentran en su etapa inicial, los resultados hasta ahora han sido prometedores.

«Estoy emocionado porque pudimos ver claramente la polarización de espín cuando las espinelas de óxido de cobalto fueron sustituidas por níquel. Eso es una buena señal», dijo. «Estamos viendo que una configuración en particular tiene una mayor división en el intervalo de banda, algo que es sorprendente y tenemos que explorar más. Y todas las calibraciones están convergiendo, lo que demuestra que son confiables».

Una vez que identifica el material óptimo para la conversión del calor residual, Koneru espera diseñar una pasta que pueda aplicarse al tubo de escape de un vehículo, convirtiendo el calor residual en electricidad para alimentar los sistemas eléctricos de un automóvil. Él estima que un dispositivo de este tipo podría costar menos de $ 500 por vehículo y podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en cientos de millones de toneladas por año.

«Con los recientes avances en nanofabricación y las calibraciones computacionales para nanomateriales, los materiales de espín térmico pueden jugar un papel vital en la conversión de energía en el futuro», dijo.

TACC permite a Koneru acelerar una gran cantidad de configuraciones de material posibles para que cuando sea el momento de probarlas experimentalmente, la cantidad de candidatos sea manejable.

«TACC es un sistema muy útil con personal que puede guiarlo si surge algún problema», dijo Koneru. «Si el profesorado o los estudiantes están interesados ​​en la investigación que requiere instalaciones de cómputo, TACC es la opción correcta para elegir. Proporciona recursos y experiencia gratis. Es un gran facilitador para lo que te apasiona».

«Nuestra misión es alentar a los investigadores de todo el estado a usar los recursos de TACC para hacer descubrimientos sorprendentes que no se pueden hacer en el laboratorio o usar grupos locales», dijo Ari Khan, de TACC. «La investigación del Dr. Koneru es un gran ejemplo de un proyecto de este tipo que podría tener un gran impacto en la contaminación del aire y el calentamiento global».


Proporcionado por la Universidad de Texas en Austin


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