Investigadores de la Universidad de Tokio generan electricidad a partir de calor latente

Este logro podría impulsar las posibilidades de las celdas termoeléctricas, dispositivos que utilizan cambios de temperatura para generar electricidad, conocidos como conversión termoeléctrica.

Como todos los materiales pueden experimentar transiciones de fase bajo las circunstancias adecuadas, esta investigación respalda la idea de que una amplia variedad de materiales tienen el potencial de ser utilizados para la conversión termoeléctrica.

El calor latente que antes se desperdiciaba podría ser utilizado para permitir que los dispositivos generen su propia energía mientras se enfrían, reduciendo la dependencia de otras fuentes de energía.

Calor latente como productor de energía

Este verano hemos alcanzado el día más caluroso registrado en la Tierra. El aumento de las temperaturas estivales y el creciente uso de tecnologías significan que la demanda de sistemas de refrigeración tanto para el hogar como para la industria está en aumento.

Las tecnologías de aire acondicionado y refrigeración ya son importantes consumidores de energía, por lo que satisfacer esta creciente demanda es un desafío para los países que intentan alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas orientados a mejorar el medio ambiente y la vida de las personas.

¿Y si pudiéramos utilizar al menos parte de los residuos generados por estos sistemas de refrigeración para ayudar a generar la electricidad necesaria para alimentarlos, de una manera económica y baja en carbono?

Los investigadores de la Universidad de Tokio se interesaron en el potencial de la energía del calor latente que se crea cuando una sustancia cambia de fase de un estado a otro, por ejemplo, cuando el agua dentro de un aire acondicionado se evapora y condensa para crear el efecto de enfriamiento.

A diferencia del aire caliente que se siente soplando desde una unidad de aire acondicionado al exterior, el calor latente creado por el agua dentro es casi imperceptible. La conversión termoeléctrica utiliza el calor para generar electricidad, y un dispositivo que puede hacerlo es la termocelda. El trabajo ha sido publicado en la revista Advanced Materials.

Termocelda con hidrogel

Para llevar a cabo el experimento, el equipo creó su propia termocelda utilizando un hidrogel, un material polimérico rico en agua, llamado PNIPAM, al cual le agregaron un compuesto llamado viólogo.

Este hidrogel modificado contenía un polímero termosensible, lo que significa que el polímero reaccionaba al cambio de temperatura, siendo soluble en agua fría pero insoluble en agua caliente. Con esta termocelda, lograron utilizar la pequeña cantidad de energía de calor latente generada por la transición de fase, entre soluble e insoluble, para crear electricidad.

«Por primera vez, hemos confirmado que el calor latente tiene el potencial de ser utilizado para la conversión termoeléctrica», dijo el profesor Teppei Yamada del Departamento de Química de la Escuela de Graduados de Ciencias de la Universidad de Tokio.

«Creemos que podemos utilizar varios tipos de materiales para las termoceldas. Todas las sustancias en el mundo pueden experimentar transiciones de fase bajo las condiciones adecuadas: por ejemplo, la crema se convierte en helado, la arena en vidrio, el agua en vapor, etc».

«Con este método, en principio, es posible extraer energía eléctrica incluso de la más mínima diferencia de temperatura, lo que aumenta considerablemente el número de situaciones en las que se puede utilizar la conversión termoeléctrica», explica Yamada.

El rendimiento de una termocelda se evalúa por la cantidad de voltaje que puede generarse a partir de una pequeña diferencia de temperatura, lo que se denomina coeficiente de Seebeck. Cuanto mayor sea el coeficiente de Seebeck, más energía eléctrica se puede extraer.

El coeficiente de Seebeck de las termoceldas que utilizan compuestos orgánicos suele ser inferior a 1 microvoltio (una millonésima de voltio) por unidad de temperatura Kelvin, pero en esta prueba superó los 2 microvoltios por Kelvin.

«Esto es un logro notable», dijo Yamada. «Aunque anteriormente hemos creado termoceldas que producen 2 microvoltios por Kelvin utilizando un cambio en el pH, esta es la primera vez que se utilizó directamente la energía de una transición de fase».

Los investigadores esperan que este trabajo contribuya a mejorar la tecnología de refrigeración, los dispositivos de gestión de temperatura y otros sensores de temperatura. «Ya hemos alcanzado el punto en el que podemos considerar aplicaciones prácticas de las termoceldas. Por ejemplo, esperamos que sea posible generar electricidad mientras se enfría una sala de servidores o el motor de un automóvil», dijo Yamada.

Fuente: Universidad de Tokio