Según una estimación oficial, los consumidores estadounidenses de manufactura, transporte, residenciales y comerciales usan solo alrededor del 40 por ciento de la energía que utilizan, desperdiciando el 60 por ciento. Muy a menudo, esta energía desperdiciada se escapa como calor o energía térmica, de tecnología ineficiente queno logra cosechar ese poder potencial.
Ahora, un equipo de la Universidad de Massachusetts Amherst dirigido por el químico Dhandapani Venkataraman, "DV" y el ingeniero eléctrico Zlatan Aksamija, informan este mes Comunicaciones de la naturaleza en un avance se perfilan hacia una cosecha de energía térmica más eficiente, más barata y basada en polímeros.
"Será una sorpresa para el campo", predice DV, "nos da otra variable clave que podemos modificar para mejorar la eficiencia termoeléctrica de los polímeros. Esto debería hacer que nosotros, y otros, veamos los polímeros termoeléctricosen una nueva luz "
Aksamija explica: "El uso de polímeros para convertir la energía térmica en electricidad mediante la recolección de calor residual ha visto un aumento en el interés en los últimos años. El calor residual representa un problema pero también un recurso; cuanto más calor desperdicia su proceso, menos eficiente es"Recolectar el calor residual es menos difícil cuando hay una fuente de gradiente local de alta temperatura con la que trabajar, agrega, como una fuente de calor de alto grado como una planta de energía".
Los polímeros termoeléctricos son menos eficientes en la recolección de calor en comparación con los métodos inorgánicos rígidos y costosos de producir que, sin embargo, son bastante eficientes, agrega Aksamija, pero vale la pena seguir los polímeros porque son más baratos de producir y pueden recubrirse con materiales flexibles- para envolver la pila de escape de una planta de energía, por ejemplo.
Recientemente, los científicos han abordado este obstáculo con un proceso llamado "dopaje". Con él, los investigadores mezclan componentes químicos u otros en polímeros para mejorar su capacidad de mover cargas eléctricas y aumentar la eficiencia. DV dice: "Imagine que hemoschips de chocolate agregados, un material que mejora la conductividad, a una galleta. Eso es dopaje "
Pero el dopaje implica una compensación, agrega Aksamija. Puede lograr más corriente y menos voltaje inducido térmicamente, o más voltaje y menos corriente, pero no ambas cosas. "Si mejora una propiedad, empeora la otra".explica, "y puede tomar mucho esfuerzo decidir el mejor equilibrio" o un dopaje óptimo.
Para abordar esto, DV y su estudiante de doctorado en química Connor Boyle, con Aksamija y su estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica, Meenakshi Upadhyaya, trabajaron en lo que DV llama "una verdadera colaboración", donde cada percepción de simulaciones numéricas informabapróxima serie de experimentos, y viceversa.
Los químicos realizaron experimentos, mientras que el equipo de ingeniería realizó análisis de eficiencia a lo largo de la curva desde "dopaje cero" hasta "dopaje máximo" para identificar el mejor equilibrio para muchos materiales diferentes. Para la gran cantidad de simulaciones, corrieron para probar cientos de escenarios, utilizaron el Centro de Computación de Alto Rendimiento Verde de Massachusetts en la cercana Holyoke.
Aksamija dice: "Ahora podemos decirle, para cada material dado, cuál es el equilibrio óptimo de las dos propiedades, y por un tiempo, la gente quedó satisfecha con solo saber eso". Pero en el camino, agrega, ellosdescubrió una variable completamente nueva que aún no se había tenido en cuenta, una que resultó ser crítica para la capacidad del polímero dopado de recolectar energía térmica de manera eficiente.
Él dice: "El análisis original no llegó a la cuestión de la posición de los componentes de dopaje, si los materiales se agrupan o no y cuánto se agrupan o agrupan, como lo llamamos. Resulta que la agrupación esuna variable crítica ". El equipo recurrió al químico Michael Barnes, coautor de su reciente artículo, que utilizó la microscopía de fuerza de sonda Kelvin para sondear los dopantes a nivel nano y mostrar que la agrupación está presente en polímeros dopados a temperatura ambiente,pero no a temperaturas más altas.
Con esa confirmación, los investigadores recurrieron a modelar una curva de compensación expandida, dice Upadhyaya. A partir de su modelación teórica, ella y Aksamija descubrieron que la agrupación altera la forma de esa curva. Para mejorar la eficiencia más allá de la compensación de voltaje actual, uno debe mover toda la curva de compensación, dice ella.
Este hallazgo inesperado debería proporcionar un nuevo camino para diseñar polímeros más eficientes para dispositivos termoeléctricos, dicen los investigadores. DV señala que hasta ahora, los químicos y científicos de materiales han estado tratando de organizar polímeros para que se parezcan más a los inorgánicos, "muy bienalineado y muy regular, lo cual es difícil de hacer ", agrega." Resulta que este puede no ser el camino a seguir; puede tomar otro camino u otro enfoque. Esperamos que este documento proporcione una base para avanzar a base de polímerostermoeléctrico adelante "
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Materiales proporcionado por Universidad de Massachusetts en Amherst . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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