Las tecnologías termoeléctricas pueden ayudar a impulsar un futuro sin emisiones de carbono

Los termómetros son una maravilla poco apreciada del ingenio humano, construida sobre la base de la comprensión de principios físicos relativamente simples. Los termómetros de mercurio y de alcohol se basan en el aumento o la disminución del volumen de los líquidos en reacción a los cambios de temperatura. Los termómetros infrarrojos sin contacto, en cambio, leen la radiación térmica emitida por cualquier objeto, desde sartenes hasta el cuerpo humano.

Si bien los termómetros digitales, como los infrarrojos, son una invención relativamente reciente, otros tipos existen desde hace cientos de años.

Sin embargo, existe otro tipo de termómetro digital conocido como termopar. Los termopares se utilizan habitualmente en aplicaciones industriales y aprovechan un fenómeno natural por el cual el encuentro de dos temperaturas diferentes genera una corriente eléctrica. Este principio se puede utilizar tanto para medir temperaturas como, lo que es más interesante, para obtener electricidad útil a partir de los cambios de temperatura cotidianos. Soy parte de un equipo que trabaja para ayudar a que esta tecnología se convierta en una realidad práctica.

Termoeléctrico

En 1821, el físico alemán Thomas Johann Seebeck observó que la aguja de una brújula magnética cercana se desviaba debido a un circuito eléctrico cerrado formado por dos metales diferentes. Dos años después, los físicos Hans Christian Ørsted y Jean Baptiste Joseph informaron que la interacción de los dos metales, una vez conectados en un circuito, había generado una corriente eléctrica porque uno estaba más caliente que el otro.

Este fenómeno físico fue posteriormente denominado Efecto Seebeck.

Curiosamente, el físico italiano Alessandro Volta (en cuyo honor se da el nombre al término voltio) observó y explicó el mismo fenómeno en 1794 utilizando los nervios de una rana muerta. Volta generó una corriente eléctrica utilizando un alambre de metal, dos vasos de agua (cada uno a una temperatura diferente) y los nervios de la rana como puente eléctrico.

Una imagen espantosa, pero que presagiaba futuros avances científicos.

Entusiasmados con las posibilidades, los científicos trabajaron para explotar los hallazgos creando y recolectando cantidades útiles de corriente eléctrica simplemente conectando dos materiales a diferentes temperaturas. Hoy en día, a esto lo llamamos termoelectricidad y todavía lo usamos en contextos muy específicos.

La NASA ha aprovechado las ventajas de la tecnología termoeléctrica para hacer posible la exploración del espacio profundo acoplando generadores termoeléctricos con material radiactivo como combustible.

Los lanzamientos que utilizan generadores termoeléctricos de radioisótopos incluyen el del explorador marciano Curiosity en 2011, el Perseverance en 2020 y el lanzamiento planificado del Dragonfly en 2027 a la luna Titán de Saturno.

Esta pieza de tecnología incluso irrumpió en el ámbito de la cultura popular como resultado de su papel central en la novela de 2011 (y posterior película del mismo nombre). El marciano por Andy Weir.

Más cerca de casa

Aquí en la Tierra, los generadores termoeléctricos se han utilizado en áreas remotas para generar electricidad. Por ejemplo, un pequeño módulo termoeléctrico, conectado a una caldera o estufa portátil, puede cargar tu teléfono mientras estás acampando a expensas del combustible. Este es solo un pequeño ejemplo; los dispositivos termoeléctricos podrían hacer mucho más.

Las sociedades humanas generan cantidades excesivas de calor a través de numerosos procesos, desde la cocina y la actividad industrial hasta el aire acondicionado y la refrigeración. Una vez finalizados estos procesos, casi todo ese calor se disipa sin captar la electricidad que podría proporcionar.

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Por ejemplo, sólo se utiliza alrededor de un tercio de la energía producida en un automóvil a gasolina, mientras que los otros dos tercios se pierden en forma de calor. Ese calor perdido podría aprovecharse para alimentar dispositivos termoeléctricos, lo que mejoraría drásticamente la eficiencia del combustible.

Podríamos hacer lo mismo en las fábricas y en muchos otros lugares donde el calor es un subproducto desperdiciado de otra función. Y construir estos sistemas nos ayudaría a alcanzar nuestro objetivo de cero emisiones netas para 2050.

Entonces, ¿por qué no utilizamos (literalmente) energía termoeléctrica para reciclar el calor desperdiciado?

En pocas palabras, un dispositivo termoeléctrico requiere un material que conduzca bien la electricidad y mal el calor. Sin estas características, la diferencia de temperatura y el potencial generativo entre los dos lados del dispositivo no se mantendrán.

El cable de cobre, por ejemplo, conduce muy bien la electricidad, pero también es un excelente conductor del calor. Estas cualidades hacen que sea un cable excelente, pero también dejan al cobre como un candidato deficiente para esta aplicación.

Construyendo los materiales

Los materiales ideales para la termoelectricidad no existen en la naturaleza. Por ello, la prioridad en el campo de la investigación termoeléctrica es crear materiales que sean eficientes y económicos, de modo que puedan producirse en masa y aplicarse ampliamente, idealmente con un costo mínimo de recursos.

Entre los candidatos a materiales termoeléctricos conocidos se encuentra el plomo, pero su toxicidad y sus efectos ambientales lo descartan como candidato viable. Se deben encontrar alternativas más benignas.

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Actualmente, algunos materiales termoeléctricos parecen tener el potencial de ayudar a mitigar la crisis climática que enfrentamos.

Junto con mis colegas de la Universidad McMaster, estoy trabajando con socios industriales para ayudar a desarrollar nuevos materiales más baratos y confiables. Para ello, es fundamental comprender los cambios en el rendimiento entre los distintos materiales. Esperamos desarrollar materiales que tengan un buen rendimiento tanto en el laboratorio como a gran escala.

Con demasiada frecuencia se habla de electricidad en términos de cómo podemos generar más. Necesitamos más plantas, más combustible, más energía solar, más de todo. Nosotros creemos que esto es sólo la mitad del panorama. También debemos aprender a utilizar de forma inteligente todas las etapas del ciclo de vida de la energía, no sólo para generar, sino también para almacenar y utilizar la tecnología termoeléctrica para capturar la electricidad de ese calor desperdiciado.

Sólo así podremos crear una red eléctrica verdaderamente eficiente y ayudar a impulsar un futuro libre de carbono.