Un nuevo y diminuto motor térmico sin piezas móviles acaba de alcanzar un hito energético increíble

Los científicos tienen la esperanza de que las células termofotovoltaicas (TPV) de estado sólido sin partes móviles puedan lograr una mayor eficiencia a temperaturas más altas cuando se trata de convertir el calor en electricidad, y abrir el camino hacia redes eléctricas basadas completamente en energías renovables.

Una de esas celdas TPV ahora ha alcanzado un nuevo récord mundial de 40 por ciento de eficiencia, informan los investigadores. Eso es mejor que las turbinas de vapor que se usan tradicionalmente para convertir el calor en electricidad, que normalmente alcanzan un máximo del 35 por ciento y también tienen límites de temperatura superior.

Los TPV convierten fotones de alta energía de fuentes de calor al rojo vivo en electricidad. Cuando se combinan con baterías térmicas, podrían capturar la energía del Sol y mantenerla almacenada, liberando electricidad cuando sea necesario.

“Una de las ventajas de los convertidores de energía de estado sólido es que pueden operar a temperaturas más altas con menores costos de mantenimiento porque no tienen partes móviles”. dice el ingeniero mecánico Asegun Henrydel Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

“Simplemente se sientan allí y generan electricidad de manera confiable”.

La celda termofotovoltaica involucrada en la conversión sin precedentes puede generar electricidad a partir de fuentes de calor a temperaturas de 1900 a 2400 grados Celsius (3452 a 4352 grados Fahrenheit). Esas temperaturas son demasiado altas para que funcionen las turbinas de vapor convencionales, debido a las partes móviles involucradas.

Ahora la eficiencia de estas células también está aumentando, haciéndolas más viables. El récord anterior era del 32 % de eficiencia, mientras que la mayoría de las células TPV fabricadas hasta la fecha han rondado el 20 % de eficiencia.

El récord de eficiencia se midió utilizando un sensor de flujo de calor para medir el calor absorbido por la celda, que tiene un tamaño de alrededor de un centímetro cuadrado. Se usó una bombilla de alta temperatura para variar la cantidad de calor a la que estaba expuesta la celda, lo que reveló que, de hecho, era adecuada para instalarse en un sistema más grande.

“Podemos obtener una alta eficiencia en una amplia gama de temperaturas relevantes para las baterías térmicas”. dice henry.

La mejora de la eficiencia se debe principalmente a los materiales utilizados, que tienen lo que se conoce como un bajo banda prohibida – una brecha que los electrones deben cruzar para que se genere electricidad. Aquí, los investigadores han utilizado materiales de banda prohibida más altos, así como múltiples uniones (o capas de material).

Se utilizan tres capas: una aleación de banda prohibida alta para capturar fotones de alta energía para convertirlos en electricidad, una aleación de banda prohibida baja para capturar fotones de baja energía que se deslizan a través de la primera capa y un espejo de oro para reflejar los fotones que han pasado por todas las capas. camino de regreso a la fuente de calor, minimizando así el calor desperdiciado.

Ahora que se ha demostrado que la celda TPV es operativa, confiable y eficiente, los científicos pueden continuar con el trabajo de ampliarla y combinarla con otros elementos para formar un sistema completo de producción de energía, y uno que no produzca carbono mientras en uso.

“Las celdas termofotovoltaicas fueron el último paso clave para demostrar que las baterías térmicas son un concepto viable”, dice henry. “Este es un paso absolutamente crítico en el camino hacia la proliferación de energías renovables y llegar a una red totalmente descarbonizada”.

La investigación ha sido publicada en Naturaleza.

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