Investigadores de la Universidad de West Virginia, en Estados Unidos, han descubierto un nuevo material semiconductor de alto rendimiento que reducirá las emisiones de calor en condiciones tan extremas como las que se pueden producir en entornos industriales o en centrales eléctricas. De esta manera, se reduciría el impacto ambiental y el coste económico derivado de lidiar con ese calor residual que no siempre se aprovecha.
En concreto, este material resolvería un problema que viene de lejos y que tiene que ver con la eficiencia energética de los generadores termoeléctricos. Al generar electricidad a partir del calor, parte de este calor residual se emite a la atmósfera y contribuye al calentamiento global. ¿Por qué no aprovechar ese calor residual?
El material está basado en óxido de cerámica y se comporta muy bien ante las condiciones de calor habituales en centrales eléctricas o sistemas industriales. Y todavía queda margen de mejora para obtener una eficiencia todavía mayor combinando otros elementos con este nuevo material.
Materiales que pueden con el calor
Los investigadores responsables del proyecto son Cesar Octavio Romo de la Cruz, Sergio Andres Paredes Navia, Yun Chen, Liang Liang y Ellena Gemmen. El equipo fue liderado por Xueyan Song, profesora de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de West Virginia. Y por George B. Berry, catedrático de ingeniería de la facultad de ingeniería y recursos minerales del Benjamin M. Statler College.
El material creado en laboratorio consta de óxido de cerámica. De la familia de otros materiales como la cerámica, la porcelana, el cemento o el silicio. Pero incluyendo elementos metálicos. Sus características, dureza y resistencia ante el calor y la corrosión. Ideales, en definitiva, para tareas relacionadas con altas temperaturas como los componentes de un generador termoeléctrico.
Sin embargo, si no se había recurrido a este material para este fin con anterioridad es por uno de sus principales escollos. El óxido de cerámica tiene estructuras de cristal que bloquean la corriente de electrones. Lo que impide su uso a gran escala. ¿La solución? Hacer frente a esos cristales con iones metálicos, que facilitan la conductividad y mejoran su rendimiento termoeléctrico.
Aprovechar el calor residual, aumentar la eficiencia energética
¿Hasta qué punto el calor residual resulta un problema? Se trata de una consecuencia o subproducto de la mayoría de actividades que convierten combustible en energía. Todos los sectores industriales requieren de ese proceso para funcionar. Y, por razones obvias, las centrales eléctricas generan electricidad y generan calor. Un calor que no siempre se aprovecha y que contribuye al cambio climático. Estamos hablando de centrales eléctricas, sistemas de calefacción doméstica o los propios automóviles.
Según explica Romo de la Cruz, miembro del equipo de investigación que ha dado con este nuevo material más eficiente, “alrededor del 60% de la energía producida se libera improductivamente al medio ambiente en forma de calor. La recuperación del calor residual desempeñará un papel cada vez más importante para equilibrar la creciente demanda de electricidad con la huella de carbono de los procesos industriales”.
Los generadores termoeléctricos convierten parte de ese calor residual en electricidad. Y lo mejor de todo es que son fáciles de usar y apenas requieren mantenimiento. Si no está implementada en la industria actual es porque no resultaba eficiente económicamente. Algo que cambiará con este nuevo material. Así se podrá capturar y aprovechar ese calor residual para obtener energía y reducir su impacto en el planeta.
Grandes soluciones manipulando átomos
Una de las curiosidades de esta investigación que permitirá aprovechar el calor residual al generar electricidad es la manera en que se ha obtenido el óxido de cerámica. Para ello se ha empleado ingeniería de nanoestructuras. Es decir, que se ha manipulado la cerámica a escala atómica, mediante microscopios electrónicos. De esta manera se ha logrado sortear el escollo que suponían los cristales de la cerámica e introducir los iones metálicos de manera estratégica.
Por lo demás, los resultados del descubrimiento aparecieron publicados en el número de abril de la publicación especializada Renewable and Sustainable Energy Reviews. Con el sugerente título Entering new era of thermoelectric oxide ceramics with high power factor through designing grain boundaries. Es decir, Entrando en la nueva era de las cerámicas de óxido termoeléctricas con alto factor de potencia mediante el diseño de límites de grano.
Precisamente, el método empleado para crear este nuevo material puede repetirse para crear derivados de la cerámica con características y propiedades únicas. Ya sea para aprovechar el calor residual o para otros usos. Es más. Gracias a la nanociencia y la microscopía, investigadores de todo el mundo han logrado resolver problemas y crear materiales más eficientes. Como el ejemplo de Caltech: realizando nudos microscópicos, teóricamente es posible alterar la arquitectura de los materiales y hacerlos más resistentes.
