Los mismos investigadores que fueron pioneros en el uso de un efecto mecánico cuántico para convertir el calor en electricidad han descubierto cómo hacer que su técnica funcione en una forma más adecuada para la industria.
adentro Comunicaciones de la naturaleza , ingenieros de la Universidad Estatal de Ohio describen cómo utilizaron el magnetismo en un compuesto de níquel y platino para amplificar la salida de voltaje 10 veces o más, no en una película delgada, como lo habían hecho anteriormente, sino en una pieza más gruesa dematerial que se asemeja más a los componentes para futuros dispositivos electrónicos.
Muchos dispositivos eléctricos y mecánicos, como los motores de los automóviles, producen calor como subproducto de su funcionamiento normal. Se llama "calor residual" y las leyes fundamentales de la termodinámica exigen su existencia, explicó el coautor del estudio Stephen Boona.
Pero un área creciente de investigación llamada termoeléctrica de estado sólido tiene como objetivo capturar el calor residual dentro de materiales especialmente diseñados para generar energía y aumentar la eficiencia energética general.
"Más de la mitad de la energía que usamos se desperdicia y entra a la atmósfera como calor", dijo Boona, un investigador postdoctoral en el estado de Ohio. "La termoeléctrica de estado sólido puede ayudarnos a recuperar parte de esa energía. Estos dispositivos no tienen partes móviles, no se desgastan, son robustos y no requieren mantenimiento. Desafortunadamente, hasta la fecha, también son demasiado caros y no lo suficientemente eficientes como para garantizar un uso generalizado. Estamos trabajando para cambiar eso ".
En 2012, el mismo grupo de investigación del estado de Ohio, dirigido por Joseph Heremans, demostró que los campos magnéticos podrían aumentar un efecto mecánico cuántico llamado efecto Seebeck de giro y, a su vez, aumentar la salida de voltaje de películas delgadas hechas de materiales exóticos nanoestructuradosdesde unos pocos microvoltios hasta unos pocos milivoltios.
En este último avance, han aumentado la producción de un compuesto de dos metales muy comunes, el níquel con una pizca de platino, de unos pocos nanovoltios a decenas o cientos de nanovoltios, un voltaje más pequeño, pero de una manera mucho más simpledispositivo que no requiere nanofabricación y se puede ampliar fácilmente para la industria.
Heremans, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial y Ohio Eminent Scholar in Nanotechnology, dijo que, hasta cierto punto, usar la misma técnica en piezas más gruesas requiere que él y su equipo reconsideren las ecuaciones que rigen la termodinámica y la termoelectricidad,que se desarrollaron antes de que los científicos supieran sobre la mecánica cuántica. Y aunque la mecánica cuántica a menudo concierne a los fotones - ondas y partículas de luz - la investigación de Heremans se refiere a los magnones - ondas y partículas de magnetismo.
"Básicamente, la termodinámica clásica cubre las máquinas de vapor que usan vapor como fluido de trabajo, o motores a reacción o motores de automóviles que usan aire como fluido de trabajo. La termoeléctrica usa electrones como fluido de trabajo. Y en este trabajo, estamos usando quantade magnetización, o 'magnones', como fluido de trabajo ", dijo Heremans.
Hasta ahora, la investigación en termodinámica basada en el magnón siempre se hacía en películas delgadas, quizás de unos pocos átomos de espesor, e incluso las películas de mejor rendimiento producen voltajes muy pequeños.
En el artículo de 2012, su equipo describió golpear electrones con magnones para empujarlos a través de materiales termoeléctricos. En la corriente Comunicaciones de la naturaleza papel, han demostrado que la misma técnica se puede utilizar en piezas a granel de materiales compuestos para mejorar aún más la recuperación del calor residual.
En lugar de aplicar una película delgada de platino sobre un material magnético como podrían haber hecho antes, los investigadores distribuyeron una cantidad muy pequeña de nanopartículas de platino al azar a través de un material magnético, en este caso, níquel. El compuesto resultante producidosalida de voltaje mejorada debido al efecto Seebeck de rotación. Esto significa que para una cantidad dada de calor, el material compuesto genera más energía eléctrica que cualquier material por sí solo. Dado que toda la pieza de compuesto es conductora de electricidad, otros componentes eléctricos pueden extraerel voltaje de la misma con mayor eficiencia en comparación con una película.
Si bien el compuesto aún no es parte de un dispositivo del mundo real, Heremans confía en que la prueba de principio establecida por este estudio inspirará más investigación que puede conducir a aplicaciones para generadores de calor residual comunes, incluidos los automóviles y los motores a reacción.La idea es muy general, agregó, y se puede aplicar a una variedad de combinaciones de materiales, lo que permite enfoques completamente nuevos que no requieren metales caros como el platino o procedimientos de procesamiento delicados como el crecimiento de película delgada.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Ohio . Original escrito por Matt Schutte. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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