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Descubierto un Mejor Modo de Generar Energía a Partir del Calor
sábado, 10 de septiembre de 2005
El motor de su automóvil desperdicia el 70 por ciento de su energía en forma de calor, pero un descubrimiento científico podría ahora desembocar en un modo eficiente de recobrar esa energía perdida, e incluso de aprovechar mucho más el potencial energético del calor geotérmico.
El truco está en convertir este calor en electricidad, y una manera prometedora de hacerlo, descubierta por los investigadores, incluye el uso de nanoconductores extremadamente finos para duplicar la eficiencia de los materiales termoeléctricos.
Si finalmente se logra, este dispositivo termoeléctrico nanoestructurado puede ser útil para reciclar el calor de los motores de automóviles, el enfriamiento de los microprocesadores de los ordenadores y la construcción de neveras más compactas y silenciosas.
El estudio ha sido realizado por Heiner Linke, un profesor adjunto de física en la Universidad de Oregón, asociado con el Instituto de Nanociencias y Microtecnologías de Oregón (ONAMI), y por Tammy Humphrey, una investigadora afiliada al Consejo de Investigaciones Australiano, actualmente de visita en la Universidad de California en Santa Cruz. Sus espectaculares hallazgos representan un avance significativo con respecto a los dispositivos termoeléctricos actuales.
Linke y Humphrey descubrieron que dos objetos pueden tener diferentes temperaturas y aún estar en equilibrio mutuo a escala nanométrica, un hecho desconcertante para alguien no experto en el tema, pero que es crucial para alcanzar el rendimiento que permita generalizar el uso de la tecnología termoeléctrica en la generación de energía y la refrigeración.
Imagine una taza de café caliente sobre una bandeja metálica. El café rápidamente se enfriaría debido a que las moléculas en la taza espontáneamente transmiten el calor a la bandeja para entrar en equilibrio de temperatura con ésta. El mismo efecto ocurre con los electrones en los materiales estudiados por Humphrey y Linke. En física, ésta es una ley de la termodinámica: el calor siempre fluirá de las zonas calientes a las frías. Por supuesto, la energía liberada por esos electrones normalmente se pierde.
Los materiales termoeléctricos tratan de recuperar esa energía convirtiéndola en electricidad, pero no funcionan apropiadamente si el flujo de calor es descontrolado. La principal innovación presentada por Humphrey y Linke consiste en controlar el movimiento de los electrones usando materiales estructurados a escala nanométrica.
Humphrey y Linke mostraron que si se aplica un voltaje a un sistema eléctrico en combinación con una diferencia de temperatura, es posible controlar los electrones que contengan una energía específica. Esto significa que si un material nanoestructurado se diseña para permitir un flujo de electrones con esta energía específica, se alcanza un nuevo tipo de equilibrio en el que los electrones no transportan espontáneamente el calor de zonas calientes a frías.
Este delicado balance puede tener enorme importancia práctica porque significa que los dispositivos termoeléctricos, que usan contacto eléctrico entre zonas frías y calientes en un semiconductor para transformar calor en energía eléctrica útil, pueden ser operados cerca del equilibrio. Ese es el requerimiento principal para elevar la eficiencia hacia el límite de Carnot, la máxima eficiencia posible para cualquier máquina térmica.
Debido a que el sistema está en estado de equilibrio, el flujo de electrones es reversible. Esta reversibilidad permite al dispositivo alcanzar la máxima eficiencia posible.
Hasta ahora, la eficiencia de los dispositivos termoeléctricos, que no tienen partes móviles y que pueden ser lo bastante pequeños para caber en un microchip, ha sido demasiada baja (menos del 15 por ciento del límite de Carnot para la generación de energía) como para usarlos en algo útil excepto en unas pocas aplicaciones especializadas.
El potencial de un sistema basado en el desarrollo de Humphrey y Linke podría permitir la construcción de dispositivos termoeléctricos nanoestructurados con eficiencias cercanas al 50 por ciento del límite de Carnot. Con ellos, sería viable mejorar la generación de electricidad a partir de fuentes geotérmicas, o aprovechar el calor liberado por los motores en automóviles híbridos.
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