Investigadores han desarrollado un nuevo dispositivo termoeléctrico orgánico capaz de generar energía a temperatura ambiente, sin necesidad de un gradiente de temperatura. Los dispositivos termoeléctricos tienen múltiples aplicaciones en la actualidad, pero aún enfrentan obstáculos para su total aprovechamiento.
El equipo de investigación logró combinar las propiedades únicas de los materiales orgánicos para crear un marco de generación de energía termoeléctrica que no depende de una diferencia de temperatura.
Los dispositivos termoeléctricos y su funcionamiento
Los dispositivos termoeléctricos, también conocidos como generadores termoeléctricos, son materiales capaces de convertir el calor en electricidad siempre que exista un gradiente térmico; es decir, cuando un lado del dispositivo está caliente y el otro está frío. Estos dispositivos han sido un foco importante de investigación debido a su potencial para aprovechar el calor residual generado por otros métodos de producción de energía.
El uso más conocido de los generadores termoeléctricos se encuentra en sondas espaciales como el rover Curiosity de Marte o la sonda Voyager. Estos dispositivos están impulsados por generadores termoeléctricos de radioisótopos, en los que el calor generado por los isótopos radiactivos crea el gradiente de temperatura necesario para generar electricidad y alimentar los instrumentos de las sondas.
No obstante, debido a problemas como los altos costos de producción, el uso de materiales peligrosos, la baja eficiencia energética y la necesidad de temperaturas elevadas, los dispositivos termoeléctricos siguen siendo subutilizados en la actualidad.
Innovación en dispositivos termoeléctricos orgánicos
El equipo de investigación, liderado por el profesor Chihaya Adachi, del Centro de Investigación en Fotónica y Electrónica Orgánica (OPERA) de la Universidad de Kyushu, se propuso crear un dispositivo termoeléctrico que pudiera generar energía a temperatura ambiente. Su enfoque se centró en el uso de compuestos orgánicos, que presentan propiedades únicas para la transferencia de energía.
Adachi explica que los compuestos orgánicos, como los que se usan en OLEDs (diodos emisores de luz orgánicos) o en células solares orgánicas, tienen la capacidad de transferir electrones de manera eficiente entre sí. Tras probar diversos materiales, el equipo identificó dos compuestos viables: la ftalocianina de cobre (CuPc) y la ftalocianina de cobre hexadecafluorado (F16CuPc).
Optimización del dispositivo
Para mejorar las propiedades termoeléctricas del dispositivo, se incorporaron también fullerenos y BCP (bis(bipiridilo)cobalto), ambos conocidos por facilitar el transporte de electrones. La combinación de estos compuestos permitió aumentar significativamente la potencia del dispositivo. Finalmente, se optimizó el dispositivo con una capa de 180 nanómetros (nm) de CuPc, 320 nm de F16CuPc, 20 nm de fulereno y 20 nm de BCP.
El dispositivo optimizado alcanzó un voltaje de circuito abierto de 384 milivoltios (mV), una densidad de corriente de cortocircuito de 1,1 microamperios por centímetro cuadrado (μA/cm²) y una potencia máxima de 94 nanovatios por centímetro cuadrado (nW/cm²). Todos estos resultados se lograron a temperatura ambiente y sin un gradiente de temperatura.
Impacto y futuro de la investigación
Este avance marca un hito significativo en el desarrollo de dispositivos termoeléctricos. El nuevo dispositivo orgánico desarrollado por el equipo del profesor Adachi representa una evolución importante y promete abrir nuevas posibilidades en la captación de energía.
El equipo de investigación planea continuar optimizando el dispositivo mediante el uso de diferentes materiales. Una de las metas es aumentar la densidad de corriente incrementando el área del dispositivo, lo que es inusual en materiales orgánicos. Esto demuestra el enorme potencial que los compuestos orgánicos pueden ofrecer en la producción de energía sostenible.
Relevancia para la sostenibilidad y las energías renovables
La importancia de este dispositivo en el contexto de la sostenibilidad y las energías renovables es notable. Al eliminar la necesidad de un gradiente térmico y operar eficientemente a temperatura ambiente, estos dispositivos podrían integrarse en diversas aplicaciones de energía renovable. Por ejemplo, podrían aprovechar pequeñas cantidades de calor ambiental o incluso energía residual de procesos industriales, convirtiendo lo que de otro modo sería energía desaprovechada en electricidad utilizable.
Además, los materiales orgánicos son generalmente más abundantes y menos costosos que los materiales inorgánicos tradicionales utilizados en generadores termoeléctricos, lo que podría reducir los costos de producción y hacer estos dispositivos más accesibles para aplicaciones comerciales. También es importante destacar que el uso de compuestos menos tóxicos en estos dispositivos puede minimizar el impacto ambiental, una preocupación central en el desarrollo de nuevas tecnologías de energía.
El desarrollo de este dispositivo termoeléctrico orgánico representa un paso adelante en la creación de soluciones energéticas más sostenibles y eficientes, con un impacto positivo tanto en la reducción de residuos como en la diversificación de las fuentes de energía renovable.
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