Un nuevo tipo de material genera corriente eléctrica de forma muy eficiente a partir de las diferencias de temperatura. Esto permite que sensores y pequeños procesadores se abastezcan de energía de forma inalámbrica.
Los materiales termoeléctricos pueden convertir el calor en energía eléctrica. Esto se debe al llamado efecto Seebeck: si hay una diferencia de temperatura entre los dos extremos de un material de este tipo, se puede generar una tensión eléctrica y puede empezar a fluir la corriente. La cantidad de energía eléctrica que puede generarse con una diferencia de temperatura determinada se mide por el llamado valor ZT: Cuanto mayor sea el valor ZT de un material, mejores serán sus propiedades termoeléctricas.
Los mejores termoeléctricos hasta la fecha se midieron con valores ZT de entre 2,5 y 2,8. Ahora, científicos de la Universidad Técnica de Viena han logrado desarrollar un material completamente nuevo con un valor ZT de 5 a 6. Se trata de una fina capa de hierro, vanadio, tungsteno y aluminio aplicada a un cristal de silicio.
El nuevo material es tan eficaz que podría utilizarse para proporcionar energía a sensores o incluso a pequeños procesadores informáticos. En lugar de conectar los pequeños dispositivos eléctricos a los cables, podrían generar su propia electricidad a partir de las diferencias de temperatura. El nuevo material se ha presentado ahora en la revista Nature.
Electricidad y temperatura
«Un buen material termoeléctrico debe mostrar un fuerte efecto Seebeck, y tiene que cumplir dos requisitos importantes que son difíciles de conciliar», dice el profesor Ernst Bauer, del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena. «Por un lado, debe conducir la electricidad lo mejor posible; por otro, debe transportar el calor lo menos posible. Esto es un reto porque la conductividad eléctrica y la conductividad térmica suelen estar estrechamente relacionadas.»
En el Laboratorio Christian Doppler de Termoelectricidad, que Ernst Bauer estableció en la TU Wien en 2013, se han estudiado en los últimos años diferentes materiales termoeléctricos para diferentes aplicaciones. Esta investigación ha conducido ahora al descubrimiento de un material especialmente notable: una combinación de hierro, vanadio, tungsteno y aluminio.
«Los átomos de este material suelen estar dispuestos en un patrón estrictamente regular en la llamada red cúbica centrada en la cara», dice Ernst Bauer. «La distancia entre dos átomos de hierro es siempre la misma, y lo mismo ocurre con los demás tipos de átomos. Por lo tanto, todo el cristal es completamente regular»
Sin embargo, cuando se aplica una fina capa del material al silicio, ocurre algo sorprendente: la estructura cambia radicalmente. Aunque los átomos siguen formando un patrón cúbico, ahora están dispuestos en una estructura centrada en el espacio, y la distribución de los diferentes tipos de átomos se vuelve completamente aleatoria. «Dos átomos de hierro pueden estar uno al lado del otro, los lugares junto a ellos pueden estar ocupados por vanadio o aluminio, y ya no hay ninguna regla que dicte dónde se encuentra el siguiente átomo de hierro en el cristal», explica Bauer.
Esta mezcla de regularidad e irregularidad de la disposición atómica también cambia la estructura electrónica, que determina cómo se mueven los electrones en el sólido. «La carga eléctrica se mueve a través del material de una manera especial, de modo que está protegida de los procesos de dispersión. Las porciones de carga que viajan por el material se denominan fermiones de Weyl», explica Ernst Bauer. De este modo, se consigue una resistencia eléctrica muy baja.
Las vibraciones de la red, por otro lado, que transportan el calor desde lugares de alta temperatura a lugares de baja temperatura, son inhibidas por las irregularidades de la estructura cristalina. Por lo tanto, la conductividad térmica disminuye. Esto es importante si se quiere generar energía eléctrica de forma permanente a partir de una diferencia de temperatura, porque si las diferencias de temperatura pudieran equilibrarse muy rápidamente y todo el material tuviera pronto la misma temperatura en todas partes, el efecto termoeléctrico se paralizaría.
Electricidad para el Internet de las Cosas
«Por supuesto, una capa tan fina no puede generar una cantidad de energía especialmente grande, pero tiene la ventaja de ser extremadamente compacta y adaptable», dice Ernst Bauer. «Queremos utilizarla para proporcionar energía a sensores y pequeñas aplicaciones electrónicas». La demanda de este tipo de generadores a pequeña escala está creciendo rápidamente: En el «Internet de las cosas», cada vez hay más dispositivos conectados en línea para que coordinen automáticamente su comportamiento entre sí. Esto es especialmente prometedor para las futuras plantas de producción, donde una máquina tiene que reaccionar dinámicamente a otra.
«Si se necesita un gran número de sensores en una fábrica, no se pueden conectar todos juntos. Es mucho más inteligente que los sensores puedan generar su propia energía utilizando un pequeño dispositivo termoeléctrico», dice Bauer.
Información de la revista: Nature
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Viena