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Generando energía eléctrica del calor residual

Generando energía eléctrica del calor residual

Generando energía eléctrica del calor residual Un nuevo dispositivo de silicio de estado sólido puede un día impulsar las misiones espaciales

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Generando energía eléctrica del calor residual

Un nuevo dispositivo de silicio de estado sólido puede un día impulsar las misiones espaciales

Resumen:
Los investigadores han desarrollado un pequeño dispositivo basado en silicio que puede aprovechar lo que antes se llamaba calor residual y convertirlo en energía DC.
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HISTORIA COMPLETA

Este pequeño dispositivo basado en silicio desarrollado en Sandia National Laboratories puede capturar y convertir el calor residual en energía eléctrica. El rectenna, abreviación de antena rectificadora, está hecho de aluminio común, silicio y dióxido de silicio usando procesos estándar de la industria de circuitos integrados.
Crédito: Foto de Randy Montoya / Sandia National Laboratories

Convertir directamente la energía eléctrica en calor es fácil. Ocurre regularmente en su tostadora, es decir, si hace tostadas con regularidad. Lo contrario, convertir el calor en energía eléctrica, no es tan fácil.

Investigadores de Sandia National Laboratories han desarrollado un pequeño dispositivo basado en silicio que puede aprovechar lo que antes se llamaba calor residual y convertirlo en energía DC. Su avance fue publicado recientemente en Physical Review Applied .

“Hemos desarrollado un nuevo método para esencialmente recuperar la energía del calor residual. Los motores de los automóviles producen mucho calor y el calor no es más que un desperdicio, así que imagínese si pudiera convertir el calor del motor en energía eléctrica para un automóvil híbrido. el primer paso en esa dirección, pero se necesita hacer mucho más trabajo “, dijo Paul Davids, físico e investigador principal del estudio.

“En el corto plazo, buscamos hacer una fuente de alimentación infrarroja compacta, quizás para reemplazar generadores termoeléctricos de radioisótopos”. Llamados RTG, los generadores se utilizan para tareas tales como sensores de potencia para misiones espaciales que no reciben suficiente luz solar directa para alimentar paneles solares.

El dispositivo de David está hecho de materiales comunes y abundantes, como el aluminio, el silicio y el dióxido de silicio, o vidrio, combinados de formas muy poco comunes.

El dispositivo de silicio atrapa, canaliza y convierte el calor en energía

Más pequeño que una uña de meñique, el dispositivo mide aproximadamente 1/8 de pulgada por 1/8 de pulgada, la mitad del grosor de una moneda de diez centavos y metalicamente brillante. La parte superior es de aluminio grabada con rayas aproximadamente 20 veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano. Este patrón, aunque es demasiado pequeño para ser visto a simple vista, sirve como una antena para atrapar la radiación infrarroja.

Entre la parte superior de aluminio y el fondo de silicio hay una capa muy delgada de dióxido de silicio. Esta capa tiene aproximadamente 20 átomos de silicio de espesor, o 16,000 veces más delgada que un cabello humano. La antena de aluminio estampada y grabada canaliza la radiación infrarroja hacia esta capa delgada.

La radiación infrarroja atrapada en el dióxido de silicio crea oscilaciones eléctricas muy rápidas, aproximadamente 50 billones de veces por segundo. Esto empuja a los electrones hacia adelante y hacia atrás entre el aluminio y el silicio de una manera asimétrica. Este proceso, llamado rectificación, genera una corriente eléctrica neta de CC.

El equipo llama a su dispositivo un receptor infrarrojo, un acrónimo de antena rectificadora. Es un dispositivo de estado sólido sin partes móviles para atascarse, doblarse o romperse, y no tiene que tocar directamente la fuente de calor, lo que puede causar estrés térmico.

La producción de recrena infrarroja utiliza procesos comunes y escalables

Debido a que el equipo fabrica infrarrojos recreados con los mismos procesos utilizados por la industria de circuitos integrados, es fácilmente escalable, dijo Joshua Shank, ingeniero eléctrico y primer autor del artículo, que probó los dispositivos y modeló la física subyacente mientras era becario postdoctoral de Sandia. .

Añadió: “Nos hemos centrado deliberadamente en materiales y procesos comunes que son escalables. En teoría, cualquier instalación de fabricación de circuitos integrados comerciales podría hacer estas rectenas”.

Eso no quiere decir que crear el dispositivo actual fue fácil. Rob Jarecki, el ingeniero de fabricación que dirigió el desarrollo de procesos, dijo: “Existe una inmensa complejidad bajo el capó y los dispositivos requieren todo tipo de trucos de procesamiento para construirlos”.

Uno de los mayores desafíos de fabricación fue insertar pequeñas cantidades de otros elementos en el silicio, o doparlo, para que refleje la luz infrarroja como un metal, dijo Jarecki. “Por lo general no dopar el silicio a la muerte, no intenta convertirlo en un metal, porque tiene metales para eso. En este caso lo necesitábamos dopado tanto como sea posible sin destruir el material.”

Los dispositivos fueron fabricados en el Complejo de Ingeniería, Ciencias y Aplicaciones de Microsistemas de Sandia. El equipo ha recibido una patente para el infrarrojo rectenna y ha presentado varias patentes adicionales.

La versión de la grabación infrarroja que el equipo reportó en Physical Review Applied produce 8 nanowatts de potencia por centímetro cuadrado desde una lámpara de calor especializada a 840 grados. Para el contexto, una calculadora de energía solar típica utiliza aproximadamente 5 microvatios, por lo que necesitarían una hoja de infrarrojos ligeramente más grande que una hoja de papel estándar para alimentar una calculadora. Por lo tanto, el equipo tiene muchas ideas para mejoras futuras para hacer que el infrarrojo rectenna sea más eficiente.

Trabajo futuro para mejorar la eficiencia de recrena infrarroja

Estas ideas incluyen hacer que el patrón superior del rectenna sea 2D x en lugar de rayas 1D, para poder absorber la luz infrarroja sobre todas las polarizaciones; rediseñar la capa rectificadora para que sea un rectificador de onda completa en lugar del rectificador de media onda actual; y hacer el infrarrojo rectenna en una oblea de silicio más delgada para minimizar la pérdida de potencia debido a la resistencia.

A través de un diseño mejorado y una mayor eficiencia de conversión, la producción de energía por unidad de área aumentará. Davids cree que dentro de cinco años, el infrarrojo rectenna puede ser una buena alternativa a los RTG para fuentes de alimentación compactas.

Shank dijo: “Necesitamos seguir mejorando para ser comparables a los RTG, pero las rectennas serán útiles para cualquier aplicación en la que necesite algo para trabajar de manera confiable durante mucho tiempo y donde no pueda entrar y simplemente cambiar el Sin embargo, no vamos a ser una alternativa para los paneles solares como fuente de energía a escala de red, al menos no a corto plazo “.

Davids agregó: “Hemos estado restando importancia al problema y ahora estamos empezando a llegar al punto en que estamos viendo ganancias relativamente grandes en la conversión de energía, y creo que hay un camino hacia adelante como alternativa a la termoeléctrica. Se siente bien llegar a este punto. Sería fantástico si pudiéramos ampliarlo y cambiar el mundo “.

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