El juego del laboratorio WVU

Oct 02, 2023

Los investigadores de WVU Sergio Andres Paredes Navia, Cesar Octavio Romo de la Cruz, Liang Liang y Ellena Gemmen utilizan un microscopio electrónico para estudiar la nanoestructura de un nuevo material cerámico de óxido con el potencial de hacer que los generadores termoeléctricos sean lo suficientemente eficientes para capturar una porción significativa de los desechos. calor que emiten los sistemas industriales como las centrales eléctricas. (foto enviada)

Investigadores de la Universidad de West Virginia han diseñado un material con el potencial de reducir drásticamente la cantidad de calor que las centrales eléctricas liberan a la atmósfera.

Un equipo dirigido por Xueyan Song, profesor y catedrático de Ingeniería George B. Berry en la Facultad de Ingeniería y Recursos Minerales Benjamin M. Statler, ha creado un material cerámico de óxido que resuelve un antiguo problema de eficiencia que afecta a los generadores termoeléctricos. Esos dispositivos pueden generar electricidad a partir del calor, incluidas las emisiones de calor de las centrales eléctricas, que contribuyen al calentamiento global.

La innovadora cerámica de óxido que produjo el equipo de Song "logró un rendimiento récord que se había considerado imposible", dijo. "Demostramos las mejores cerámicas de óxido termoeléctrico reportadas en el campo en todo el mundo durante los últimos 20 años, y los resultados abren nuevas direcciones de investigación que podrían aumentar aún más el rendimiento".

Cesar Octavio Romo de la Cruz, Yun Chen, Liang Liang y Sergio A. Paredes Navia contribuyeron al estudio, apoyado por $639,784 en fondos de la Fundación Nacional de Ciencias. Los hallazgos aparecen en Renewable and Sustainable Energy Reviews.

Las cerámicas de óxido son de la misma familia que materiales como la cerámica, la porcelana, los ladrillos de arcilla, el cemento y el silicio, pero contienen varios elementos metálicos. Son duros, resistentes al calor y la corrosión, y muy adecuados para aplicaciones de alta temperatura en el aire. Pueden servir como material para componentes de generadores termoeléctricos.

Sin embargo, las cerámicas de óxido tienen estructuras "policristalinas" compuestas por múltiples cristales conectados. Los ingenieros tienen problemas con las aplicaciones termoeléctricas a gran escala para esos materiales, ya que los "límites de grano", los lugares donde se encuentran esos cristales, bloquean la corriente y el flujo de electrones que alimentan los generadores termoeléctricos.

El equipo de Song convirtió ese obstáculo en un trampolín.

"Intencionalmente agregamos 'dopantes', o iones metálicos, a la cerámica policristalina, lo que provocó que tipos especiales de dopantes se segregaran en los límites de los granos", dijo el investigador postdoctoral Romo de la Cruz. "Así es como convertimos los límites de grano inevitables y perjudiciales en vías conductoras de electricidad, mejorando significativamente el rendimiento termoeléctrico".

La investigación responde al creciente problema del calor residual, un contribuyente al cambio climático y un subproducto de la mayoría de las operaciones que convierten el combustible en energía. Cuando las bombillas se calientan al tacto, emiten calor residual: energía adicional ineficiente que no contribuye a su función principal de producir luz. El calor residual es liberado a la atmósfera por sistemas tan diversos como las centrales eléctricas, los sistemas de calefacción domésticos y los automóviles, y se emite lo suficiente como para que el mercado mundial de sistemas que lo recuperen supere los 70.000 millones de dólares para 2026.

"El calor se usa para hacer casi todo, desde alimentos hasta metales y electricidad", explicó Romo de la Cruz. “Pero durante esos procesos, alrededor del 60 % de la energía producida se libera improductivamente al medio ambiente en forma de calor. La recuperación del calor residual desempeñará un papel cada vez más importante para equilibrar la creciente demanda de electricidad con la huella de carbono de los procesos industriales. Óxido termoeléctrico las cerámicas como la nuestra entran en juego al mejorar sustancialmente la capacidad de los generadores termoeléctricos para convertir el calor residual en electricidad".

Los generadores termoeléctricos son una tecnología prometedora para la recuperación de calor residual, en parte porque son fáciles de operar y mantener. Un potente generador termoeléctrico podría capturar una parte significativa del calor residual de una central eléctrica.

Pero "para la mayoría de las aplicaciones, la tecnología termoeléctrica es demasiado ineficiente para ser económica", dijo Song. "La falta de efectividad de la termoeléctrica en la conversión de energía obstaculiza gravemente el desarrollo de dispositivos termoeléctricos, a pesar de que se necesitan desesperadamente".

Su laboratorio resolvió ese problema utilizando ingeniería de nanoestructuras, manipulando la estructura cristalina de la cerámica en una escala atómica que solo se puede ver con un microscopio electrónico, para crear un material policristalino texturizado y denso que superó a los materiales monocristalinos que son estándar actualmente.

Aunque ajustar el rendimiento de varios materiales para termoeléctricos ha estimulado un intenso trabajo teórico y experimental durante décadas, Song cree que para las cerámicas de óxido a granel, su laboratorio es el primero en demostrar un aumento significativo en la eficiencia de la generación de energía a partir del calor a través de la nano- y ingeniería a escala atómica de los límites de grano entre cristales.

"Este trabajo está en la cúspide de la recuperación de calor residual a alta temperatura y a gran escala", dijo. "Conduce hacia una nueva era para las cerámicas de óxido y se alinea con la iniciativa Industrial Heat Shot del Departamento de Energía de EE. UU. para desarrollar tecnologías de descarbonización de calor industrial rentables con al menos un 85 % menos de emisiones de gases de efecto invernadero para 2035. Nuestros hallazgos podrían facilitar y acelerar los materiales diseño que es magnitudes más altas que el estado actual del arte".

-WVU-

mm/03/14/23

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