Los dispositivos termoeléctricos, que pueden generar energía cuando un lado del dispositivo tiene una temperatura diferente del otro, han sido objeto de mucha investigación en los últimos años. Ahora, un equipo del MIT ha encontrado una nueva forma de convertir la temperaturafluctuaciones en la energía eléctrica. En lugar de requerir dos entradas de temperatura diferentes al mismo tiempo, el nuevo sistema aprovecha los cambios en la temperatura ambiente que ocurren durante el ciclo día-noche.
El nuevo sistema, llamado resonador térmico, podría permitir la operación continua durante años de los sistemas de detección remota, por ejemplo, sin requerir otras fuentes de energía o baterías, dicen los investigadores.
Los hallazgos se informan en la revista Comunicaciones de la naturaleza en un documento del estudiante de posgrado Anton Cottrill, el profesor de Ingeniería Química Carbon P. Dubbs Michael Strano y otros siete en el Departamento de Ingeniería Química del MIT.
"Básicamente inventamos este concepto de tela entera", dice Strano. "Hemos construido el primer resonador térmico. Es algo que puede sentarse en un escritorio y generar energía a partir de lo que parece nada. Estamos rodeados de temperaturafluctuaciones de todas las frecuencias diferentes todo el tiempo. Estas son una fuente de energía sin explotar ".
Si bien los niveles de potencia generados por el nuevo sistema hasta ahora son modestos, la ventaja del resonador térmico es que no necesita luz solar directa; genera energía a partir de los cambios de temperatura ambiente, incluso a la sombra. Eso significa que no se ve afectado porcambios a corto plazo en la cobertura de nubes, condiciones del viento u otras condiciones ambientales, y se pueden ubicar en cualquier lugar que sea conveniente, incluso debajo de un panel solar, en sombra perpetua, donde incluso podría permitir que el panel solar sea más eficiente al retirarsecalor residual, dicen los investigadores.
Se demostró que el resonador térmico superó a un material piroeléctrico comercial de tamaño idéntico, un método establecido para convertir las fluctuaciones de temperatura en electricidad, por un factor de más de tres en términos de potencia por área, según Cottrill.
Los investigadores se dieron cuenta de que para producir energía a partir de ciclos de temperatura, necesitaban un material que estuviera optimizado para una característica poco reconocida llamada efusividad térmica, una propiedad que describe la facilidad con que el material puede extraer calor de su entorno o liberarlo.La efusividad combina las propiedades de conducción térmica qué tan rápido puede propagarse el calor a través de un material y la capacidad térmica cuánto calor puede almacenarse en un volumen dado de material. En la mayoría de los materiales, si una de estas propiedades es alta, la otra tiendeser bajo. Las cerámicas, por ejemplo, tienen alta capacidad térmica pero baja conducción.
Para evitar esto, el equipo creó una combinación de materiales cuidadosamente diseñada. La estructura básica es una espuma de metal, hecha de cobre o níquel, que luego se recubre con una capa de grafeno para proporcionar una conductividad térmica aún mayor. Luego, ella espuma se infunde con un tipo de cera llamada octadecano, un material de cambio de fase, que cambia entre sólido y líquido dentro de un rango particular de temperaturas elegidas para una aplicación dada.
Una muestra del material hecho para probar el concepto mostró que, simplemente en respuesta a una diferencia de temperatura de 10 grados Celsius entre la noche y el día, la pequeña muestra de material produjo 350 milivoltios de potencial y 1.3 milivatios de potencia - suficientepara alimentar sensores ambientales pequeños y simples o sistemas de comunicaciones.
"El material de cambio de fase almacena el calor", dice Cottrill, autor principal del estudio, "y el grafeno le proporciona una conducción muy rápida" cuando llega el momento de usar ese calor para producir una corriente eléctrica.
Esencialmente, explica Strano, un lado del dispositivo captura el calor, que luego se irradia lentamente hacia el otro lado. Un lado siempre va a la zaga del otro cuando el sistema intenta alcanzar el equilibrio. Esta diferencia perpetua entre los dos lados puede sercosechado a través de termoeléctricos convencionales. La combinación de los tres materiales espuma de metal, grafeno y octadecano lo convierte en "el material de mayor efusividad térmica en la literatura hasta la fecha", dice Strano.
Si bien la prueba inicial se realizó utilizando el ciclo diario de 24 horas de temperatura ambiente, ajustar las propiedades del material podría permitir cosechar otros tipos de ciclos de temperatura, como el calor del ciclo de encendido y apagadode motores en un refrigerador, o de maquinaria en plantas industriales.
"Estamos rodeados de variaciones y fluctuaciones de temperatura, pero no se han caracterizado bien en el medio ambiente", dice Strano. Esto se debe en parte a que no se sabía cómo aprovecharlos.
Por ejemplo, se han utilizado otros enfoques para tratar de extraer energía de los ciclos térmicos, con dispositivos piroeléctricos, pero el nuevo sistema es el primero que puede ajustarse para responder a períodos específicos de variaciones de temperatura, como el ciclo diurno, eldicen los investigadores
Estas variaciones de temperatura son "energía sin explotar", dice Cottrill, y podrían ser una fuente de energía complementaria en un sistema híbrido que, al combinar múltiples vías para producir energía, podría seguir funcionando incluso si los componentes individuales fallaran. La investigación fue financiada en parte poruna subvención de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah de Arabia Saudita KAUST, que espera utilizar el sistema como una forma de alimentar redes de sensores que monitorean las condiciones en los campos de perforación de petróleo y gas, por ejemplo.
"Quieren fuentes de energía ortogonales", dice Cottrill, es decir, fuentes que son completamente independientes entre sí, como generadores de combustibles fósiles, paneles solares y este nuevo dispositivo de energía de ciclo térmico. Por lo tanto, "si una partefalla, "por ejemplo, si una tormenta de arena deja a los paneles solares en la oscuridad", tendrá este mecanismo adicional para proporcionar energía, incluso si es suficiente para enviar un mensaje de emergencia ".
Tales sistemas también podrían proporcionar fuentes de energía de baja potencia pero duraderas para aterrizadores o exploradores que exploran ubicaciones remotas, incluidas otras lunas y planetas, dice Volodymyr Koman, un postdoc del MIT y coautor del nuevo estudio. Para tales usos,Gran parte del sistema podría estar hecho de materiales locales en lugar de tener que ser prefabricado, dice.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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