Más de la mitad de la energía que consumimos en la actualidad se pierde
en forma de calor como un inútil desecho, por ejemplo en el calor de los refrigeradores, TV, calentadores, también
a nivel industrial en las fábricas y centrales eléctricas. Las pérdidas de
energía son aún mayores en los automóviles. Los motores de automóviles sólo
logran usar el 30% de la energía generada. El resto se pierde en forma de
calor, parte de la pérdida de calor termina en los frenos y en el tubo de escape.
Los materiales termoeléctricos tienen muchos usos en los vuelos
espaciales. Cuando una sonda espacial viaja lo suficientemente lejos del sol,
sus células solares dejan de funcionar y a las baterías se les acorta su vida
operacional. La energía nuclear no puede ser utilizada directamente, pero, un
trozo de plutonio hará el truco.
Con una temperatura de mil grados, genera mucho calor y con el espacio
exterior frío, se tiene un diferencial de temperatura, con el cual la sonda
espacial genera suficiente electricidad. El detalle está en que el plutonio es una buena solución para las sondas
espaciales que no regresaran a la tierra, pero no es una solución práctica para
automóviles y otros equipos que usamos en el planeta.
Los materiales termoeléctricos también se utilizan actualmente en las
bolsas cooler para mantener las cosas frías sin hacer uso de propios elementos
de refrigeración. Estas bolsas de frío están llenas de elementos como el plomo
y telurio, ambas sustancias son muy tóxicas.
DE ahí que es necesario sustituirlos por sustancias baratas y fácilmente
disponibles, considerando además que no hay suficiente telurio para equipar
todos los coches en el mundo", dice Ole Martin Løvvik, que es a la vez un
profesor asociado en el Departamento de Física de la Universidad de Oslo y un
científico senior de SINTEF.
Con la tecnología actual, es posible recuperar apenas el diez por ciento
de la energía perdida en forma de calor. Junto con el equipo de científicos
dirigido por el profesor Johan Taftø, Løvvik está buscando ahora materiales de
bajo costo y libre de contaminantes, que puedan recuperar el quince por ciento
de todas las pérdidas de energía. Esto es una mejora importante con respecto del
total de pérdida del 50%.
Creo que de resolver el problema con la nanotecnología, la tecnología se
hace simple y flexible. A la larga, la tecnología puede utilizar todas las
fuentes de calor, como la energía solar y energía geotérmica. Los únicos
límites están en nuestra imaginación ", afirma Løvvik al Apollon revista
de investigación en la Universidad de Oslo.
La nueva tecnología será inicialmente puesta en uso en generadores
termoeléctricos en los automóviles. Varios fabricantes de automóviles ya están
interesados. Løvvik y sus colegas actualmente están en conversaciones
condiciones con General Motors.
Los automóviles modernos necesitan una gran cantidad de electricidad.
Cubriendo el sistema de escape con placas termoeléctricas, el calor del sistema
de escape puede aumentar la eficiencia del coche en casi un diez por ciento de
un solo golpe. Si se tiene éxito, esto será una revolución en la industria moderna
del automóvil.
La nueva tecnología también puede reemplazar el zumbido del refrigerador
de hoy. En el futuro, los refrigeradores pueden ser silenciosos y construidos
sin partes móviles y con la posibilidad de mantener diferentes temperaturas en
cada compartimiento.
Para extraer tanta energía como sea posible, la diferencia de
temperatura debe ser lo más grande posible. Al principio, entonces, es
necesario utilizar altas temperaturas del calor residual, pero hay un límite
superior. Si se calienta demasiado, algunos materiales se descomponen, ya sea
por fusión o por transformarse en otros materiales, con lo cual no habría más
trabajo.
Con el fin de crear materiales termoeléctricos, los físicos tienen que
resolver una aparente paradoja. Sabemos que un metal conduce la electricidad y
el calor, pero un aislante no conduce electricidad ni calor.
Un buen material termoeléctrico debe ser un semi-conductor con
propiedades muy especiales: su resistencia térmica debe ser tan alta como sea
posible, al mismo tiempo la corriente debe fluir a través del mismo con
facilidad.
Esto no es una simple combinación, e incluso puede sonar como una
contradicción en sí misma. La mejor solución es la creación de pequeñas
estructuras que reflejan las ondas de calor, al mismo tiempo como el actual no
se refleja.
Con el fin de entender porque esto es así, se debe primero entender cómo
el calor se disipa. Cuando un material se calienta, los átomos vibran. Cuanto
más calor hace, mayor es la vibración, y cuando un átomo vibra, también hará vibrar
el átomo adyacente.
Cuando estas vibraciones se difuminan en los materiales, se les llama olas
de calor. Si creamos barreras en el material de modo que algunos átomos vibran a
una frecuencia y otros átomos adyacentes a otra frecuencia, el calor no se disipara
fácilmente. Además, la barrera atómica debe ser creado de tal manera que no
impida que la corriente eléctrica que fluye a través de él.
Los científicos han encontrado un método para crear estas barreras
atómicas. Las barreras se presentan densamente especialmente en los
semi-conductores.
Hemos logrado esto mediante el uso de un proceso completamente nuevo. Es
similar a como los granos se muelen en el molino, los científicos han desgastado
los semiconductores a un grano de nano-tamaño, pero enfriándose el material con
nitrógeno líquido a - 196 grados. Esto hace que el material sea más frágil,
menos pegajoso y fácil de aplastar. Es muy importante moler los granos hasta lo
más pequeño posible. Luego los nano granos se pegan juntos de nuevo, y de esta
forma se crean las barreras. Las pequeñas irregularidades en las barreras reflejan
las ondas de calor.
El equipo de científicos utiliza un microscopio electrónico para
examinar las micro- estructuras en la materia y han descubierto nuevas
nano-cavidades en los materiales y han aprendido más acerca de como se reflejan
las ondas de calor.
Por el lado de la resistencia térmica de los materiales evaluados, estos
se miden en el laboratorio noruego de Micro y Nano que operan en forma conjunta
por la UIO y SINTEF, donde se han desarrollado modelos matemáticos que puede
predecir como los átomos están dispuesto en la materia.
Los
científicos ahora están buscando la próxima generación de materiales
termoeléctricos. Acaban de probar el mineral de arseniuro de cobalto
Skutterudite, que se encuentra en Skutterud en Blåfarveværket en Modum,
Noruega. Con respecto a este mineral sea descubierto que pueden tener átomos
situados en pequeños nano-cavidades. Estas nano-cavidades actúan como barreras
para la disipación de calor.
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