Reino Unido encuentra un nuevo material flexible y barato que transforma el calor residual en electricidad limpia

Laboratorios de todo el mundo trabajan desde hace años en el diseño de nuevos materiales capaces de capturar, almacenar o transformar la energía de fuentes que hasta hace poco pasaban desapercibidas: la luz solar difusa, la lluvia y, cada vez más, el calor que se escapa de nuestros cuerpos, vehículos, máquinas y edificios sin que nadie lo aproveche.

Este calor residual representa, de hecho, uno de los mayores despilfarros energéticos del planeta. Se estima que alrededor del 80% de la energía que se consume en procesos industriales, transporte o electrónica doméstica acaba disipándose en forma de calor, sin que nadie lo aproveche o le dé alguna utilidad.

Ahora, investigadores de la Universidad de Surrey, en Inglaterra, han desarrollado un nuevo tipo de material termoeléctrico flexible, sostenible y de bajo coste que abre la puerta a una nueva generación de dispositivos: serán capaces de generar electricidad a partir del calor desperdiciado, ya sea del cuerpo humano, de los centros de datos o de cualquier proceso que emita calor residual.

Termoelectricidad al poder

Los dispositivos termoeléctricos generan electricidad aprovechando la diferencia de temperatura entre dos superficies. No tienen partes móviles, no emiten gases y pueden funcionar de forma continua, lo que los convierte en una tecnología muy atractiva para la captación de energía.

Sin embargo, los materiales termoeléctricos más eficientes disponibles hasta ahora presentan un problema fundamental: están fabricados con compuestos inorgánicos como el bismuto o el teluro, que son caros, frágiles, difíciles de reciclar y tienen un impacto ambiental considerable.

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Por eso, el equipo del Instituto de Tecnología Avanzada (ATI) de la Universidad de Surrey ha diseñado un nuevo enfoque basado en las llamadas superredes metal-polímero, estructuras formadas por capas ultrafinas de metal alternadas con un polímero orgánico conductor.

El material orgánico elegido es el denominado PEDOT:PSS, un polímero ampliamente utilizado en electrónica orgánica por su buena conductividad eléctrica, flexibilidad mecánica y baja conductividad térmica, cualidades ideales para aplicaciones termoeléctricas.

La clave del avance, descrito en un artículo publicado en la revista Advanced Energy & Sustainability Research, reside en cómo se combinan las diversas capas que conforman el material. Al apilarlas de forma controlada, los investigadores lograron que el rendimiento del material mejorase hasta 100 veces en comparación con el PEDOT:PSS en su forma base.

Este salto cualitativo se consigue porque la arquitectura en capas optimiza el movimiento de las cargas eléctricas a través del material, aumentando lo que se denomina el factor de potencia, que determina cuánta electricidad puede generar el dispositivo por cada grado de diferencia de temperatura.

Recreación de un material termoeléctrico en laboratorio. I.M. / Gemini Omicrono

Además del rendimiento, el equipo demostró que, simplemente eligiendo distintos metales para las capas intercaladas, es posible controlar las propiedades eléctricas del material. Esto es fundamental, porque un dispositivo termoeléctrico completo necesita combinar dos componentes con comportamientos eléctricos opuestos pero complementarios, de la misma forma que una batería necesita un polo positivo y uno negativo para funcionar.

Hasta ahora, conseguir materiales orgánicos que cumplieran ese segundo rol con suficiente eficiencia era uno de los principales obstáculos del campo, y este trabajo ofrece una solución eficaz sin añadir complejidad al proceso de fabricación.

Producción a gran escala

El diseño de las superredes parte de depositar capas, alternando metal y polímero mediante técnicas de fabricación compatibles con procesos industriales a gran escala. No se requieren condiciones extremas de temperatura ni equipos especialmente complejos, lo que mantiene el coste de producción bajo control.

El estudio describe con detalle el marco teórico y experimental que permite predecir y controlar cómo se mueven los portadores de carga en función de los metales seleccionados y del espesor de cada capa. Este modelo es especialmente valioso porque ofrece una hoja de ruta para seguir mejorando el rendimiento sin necesidad de materiales exóticos ni procesos complicados.

Las fábricas emiten gran cantidad de calor residual que se desaprovecha. Freepik Omicrono

"Al comprender y controlar cómo se desplaza la carga a través de estos materiales estratificados, hemos creado un marco que mejora significativamente el rendimiento, al tiempo que mantiene la simplicidad y la escalabilidad del sistema", explica en un comunicado Jamie Neil, estudiante de investigación de posgrado en la Universidad de Surrey y autor principal del artículo. "Esto abre una nueva vía para el diseño de la próxima generación de materiales termoeléctricos orgánicos".

En cuanto a las aplicaciones prácticas del material, son amplias y van desde el ámbito personal hasta el industrial. Su flexibilidad y ligereza lo hacen especialmente adecuado para integrarse en dispositivos wearables: podría coserse en prendas inteligentes o formar parte de parches adheridos a la piel para generar electricidad a partir de la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el aire, eliminando la necesidad de baterías en sensores de salud, relojes o monitores de actividad física.

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En el sector industrial, la recuperación de calor residual de baja temperatura es uno de los grandes retos energéticos del momento. Muchas instalaciones, desde plantas de fabricación hasta centros de datos, expulsan grandes cantidades de calor que simplemente se disipan en el entorno. Integrar estos materiales en superficies o tuberías permitiría recuperar parte de esa energía y convertirla en electricidad sin ningún proceso adicional.

Otro ámbito que los propios investigadores señalan es el espacio exterior. Las sondas y satélites ya utilizan generadores termoeléctricos de radioisótopos para funcionar en misiones alejadas del Sol, donde los paneles solares son poco eficientes. Materiales más económicos, flexibles y sostenibles podrían ampliar este uso a una gama mayor de misiones espaciales o microsatélites de bajo coste.

Por último, los dispositivos de Internet de las Cosas (IoT) representan otro mercado enorme, con miles de millones de pequeños sensores conectados que requieren fuentes de energía autónomas. Un generador termoeléctrico integrado en el propio sensor, alimentado por el calor ambiente, haría innecesario el cambio de baterías y reduciría drásticamente el mantenimiento de estas redes de dispositivos.