06.07.2022 - Technische Universität Wien

Termoeléctrica: del calor a la electricidad

Conversión de energía gracias al desorden

Investigadores de la Universidad Técnica de Viena han desarrollado un nuevo concepto para convertir la energía térmica en energía eléctrica de forma más eficiente. De este modo se pueden minimizar las pérdidas de energía.

Durante la conversión de la energía se pierde mucho calor. Se calcula que incluso más del 70%. Sin embargo, en los materiales termoeléctricos, como los que se estudian en el Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Viena, el calor puede convertirse directamente en energía eléctrica. Este efecto (efecto Seebeck) puede utilizarse en numerosas aplicaciones en la industria, pero también en la vida cotidiana.

Recientemente, el equipo de investigación de Ernst Bauer ha realizado un emocionante descubrimiento en un material termoeléctrico formado por hierro, vanadio y aluminio (Fe2VAl). Los investigadores han publicado recientemente sus resultados en la prestigiosa revista "Nature Communications".

El termoeléctrico ideal

Para conseguir el mayor efecto posible de conversión de energía, los investigadores buscan materiales que cumplan una serie de características: Deben tener un gran efecto Seebeck, una alta conductividad eléctrica y una baja conductividad térmica. Sin embargo, esto es extremadamente difícil porque estas propiedades están interrelacionadas y son interdependientes. Por ello, los investigadores se preguntaron cómo tendría que ser un material físicamente para cumplir todas estas condiciones de la mejor manera posible.

Así, los físicos de la Universidad Técnica de Viena han logrado encontrar un nuevo concepto para resolver esta contradicción y optimizar todas las propiedades termoeléctricas en un material al mismo tiempo. "En la llamada transición de Anderson, una transición de fase cuántica que pasa de estados de electrones localizados a estados móviles, se cumplen las condiciones del termoeléctrico ideal. Esto significa que todos los electrones de conducción tienen aproximadamente la misma energía", informa Fabian Garmroudi, primer autor del estudio.

La transición de Anderson se produce en los semiconductores cuando se añaden átomos de impurezas que unen fuertemente sus electrones. "De forma análoga a los témpanos de hielo en el mar, éstos están inicialmente aislados unos de otros y no se pueden pisar. Sin embargo, si el número de témpanos es lo suficientemente grande, se obtiene una conexión continua a través de la cual se puede cruzar el mar", compara Fabian Garmroudi. Esto ocurre de forma similar en los sólidos: si el número de átomos de impurezas supera un valor crítico, los electrones pueden pasar de repente libremente de un átomo a otro y la electricidad puede fluir.

Los átomos cambian de lugar cuando se calienta

La transición de Anderson se demostró en estrecha colaboración con investigadores de Suecia y Japón, así como de la Universidad de Viena, y se relacionó por primera vez con un cambio significativo en las propiedades termoeléctricas. El equipo realizó este interesante descubrimiento al calentar el material a temperaturas muy altas, cercanas al punto de fusión.

"A altas temperaturas, los átomos vibran con tanta fuerza que en ocasiones intercambian sus posiciones en la red. Por ejemplo, los átomos de hierro se sitúan entonces donde antes estaban los de vanadio. Conseguimos congelar esta 'confusión atómica', que se produce a altas temperaturas, mediante el llamado 'quenching', es decir, el enfriamiento rápido en un baño de agua", informa Ernst Bauer. Estos defectos irregulares cumplen exactamente la misma función que los átomos de impureza mencionados anteriormente, sin necesidad de cambiar la composición química del material.

Conversión de energía gracias al desorden

En muchas áreas de investigación de la física del estado sólido, uno está interesado en materiales que sean lo más puros posible y tengan una estructura cristalina ideal. La razón: la regularidad de los átomos simplifica la descripción teórica de las propiedades físicas. En el caso del Fe2VAl, sin embargo, son precisamente las imperfecciones las que explican la mayor parte del rendimiento termoeléctrico. Además, ya se ha demostrado en disciplinas afines que las irregularidades pueden ser ventajosas: "La investigación básica sobre materiales cuánticos es un buen ejemplo de ello. Allí, la ciencia ya ha podido demostrar que el desorden es a menudo el condimento necesario en la 'sopa cuántica'", dice Andrej Pustogow, uno de los coautores, e informa: "Ahora este concepto también ha llegado a la investigación aplicada del estado sólido".

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