Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Hacia la conversión práctica del calor en electricidad

La Termodinámica nos enseña que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. En todas esas transformaciones una buena parte se convierte en calor, de modo que se calcula que más del 70% de toda la energía del mundo termina desperdiciándose en forma de calor

Hacia la conversión práctica del calor en electricidad
La Termodinámica nos enseña que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. En todas esas transformaciones una buena parte se convierte en calor, de modo que se calcula que más del 70% de toda la energía del mundo termina desperdiciándose en forma de calor. Por ello, tendría una gran potencialidad la existencia de procedimientos mediante los cuales pudiéramos recuperar, al menos en parte, la energía calorífica para transformarla en formas más útiles de energía como es la energía eléctrica. Esa conversión se puede realizar mediante los dispositivos termoeléctricos, cuyo problema principal es que su rendimiento y optimización aún son muy deficientes, de modo que su uso práctico es muy limitado. El efecto termoeléctrico es la electricidad generada por la aplicación de calor a la unión de dos materiales diferentes. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría.
 
La situación del reducido uso práctico del efecto termoelétrico para obtener energía eléctrica abundante y ficazzmente podría cambiar, y a ello se refiere una reciente investigación de científicos griegos del Centro Nacional de Investigación Científica Demócrito en Atenas, Grecia, con el título “Reduction of thermal conductivity in porous “gray” materials”, publicada en la revista APL Materials.
 
Lo que estos investigadores han descubierto es cómo ciertas sustancias porosas pueden actuar como materiales termoeléctricos, abriendo el camino futuro de posibles desarrollos de sistemas basados en tales materiales porosos, llenos de pequeños agujeros con dimensiones que van desde una micra a un nanómetro, para que pudieran aprovechar de manera práctica y rentable el calor residual y convertirlo en electricidad.
 
El calor viaja a través de un material en forma de “fonones”. Lo primero que se nos viene a la cabeza, con este nombre es asociarlas al sonido y, efectivamente, el nombre se deriva de una palabra griega que significa sonido, pero un fonón es un concepto físico más amplio, y se podría definir como una cuasipartícula o modo cuantizado vibratorio que tiene lugar en las redes cristalinas como la red atómica de un sólido.
 
En forma más vulgar, si consideramos una celosía regular de átomos en un material sólido uniforme, podemos suponer que hay una energía asociada con las vibraciones de estos átomos. Pero estos átomos están atados entre sí por medio de enlaces, de modo que no pueden vibrar independientemente. Las vibraciones por tanto toman la forma de modos colectivos, que se propagan a través del material. Pues bien, tanto el calor como el sonido son en realidad el movimiento o vibración de los átomos y las moléculas. Más aún,  las vibraciones de baja frecuencia corresponden al sonido, mientras que las frecuencias más altas corresponden al calor. En cada frecuencia, los principios de la mecánica cuántica  establecen que la energía de vibración debe ser un múltiplo de una cantidad básica de energía, llamada cuanto, que es proporcional a la frecuencia. Y los físicos llaman a estos niveles básicos,  fonones de energía.
 
Los fonones que en este caso nos interesan son las partículas virtuales que transportan el calor, o más concretamente las vibraciones subyacentes. Pero si un fonón se mete en un agujero o poro, se dispersa y pierde energía. Por ello los materiales porosos poseen una conductividad térmica baja, pero pueden favorecer que esas pérdidas de energía calorífica terminen transformada en electricidad.  Cuanto más poroso es el material, más baja es la conductividad térmica, y mejor es como material termoeléctrico.
 
Los investigadores lo que han conseguido es modelar de forma sistemática como ocurren todos esos procesos, analizando con profundidad las propiedades térmicas de las estructuras de cuatro modelos simples de materiales microporosos y nanoporosos, desarrollando las bases científicas imprescindibles para la futura elaboración de estos materiales destinados a dispositivos termoeléctricos.
 
En general, se ha encontrado que cuantos más pequeños son los poros del material y más cerca están unos de los otros, más baja es su conductividad térmica y son más adecuados para su uso termoeléctrico.
 
Enlace de descarga de la investigación:
 
http://scitation.aip.org/docserver/fulltext/aip/journal/aplmater/2/7/1.4886220.pdf?expires=1405669370&id=id&accname=guest&checksum=4B16522AEF82D09F46E48873F43763DB