¿Sientes el calor que sale de tu computadora o teléfono celular? Esa es energía desperdiciada que irradia del dispositivo. Con los automóviles, se estima que el 60% de la eficiencia del combustible se pierde debido al calor residual. ¿Es posible capturar esta energía y convertirla en electricidad?
Los investigadores que trabajan en el área de generación de energía termoeléctrica dicen absolutamente. Pero si se puede hacer de manera rentable sigue siendo una pregunta.
Por ahora, los generadores termoeléctricos son una rareza, se utilizan principalmente en aplicaciones de nicho como sondas espaciales, donde el reabastecimiento de combustible no es una posibilidad. La termoelectricidad es un área activa de investigación, particularmente entre compañías automotrices como BMW y Audi. Sin embargo, hasta la fecha, el costo de convertir el calor en electricidad ha demostrado ser más costoso que la electricidad misma.
Anveeksh Koneru, profesor titular de ingeniería mecánica en la Cuenca Pérmica de la Universidad de Texas (UTPB), está explorando un nuevo método para capturar el calor residual aprovechando los movimientos mecánicos cuánticos de los electrones en los materiales polarizados por rotación.
En física de partículas, el espín es una forma intrínseca de momento angular transportado por partículas elementales, partículas compuestas (hadrones) y núcleos atómicos. A través de un mecanismo conocido como el efecto Spin Hall, se ha demostrado que se puede generar un voltaje aprovechando las diferencias en las poblaciones de spin en un contacto de metal unido a un material ferromagnético. Primero demostrada experimentalmente por investigadores japoneses en 2008, la idea se ha filtrado a través de la ciencia de los materiales por un tiempo, pero aún no ha encontrado su forma óptima.
Koneru cree que, en el óxido de cobalto, puede haber encontrado el material adecuado para aprovechar el efecto de la producción de energía. Un compuesto inorgánico utilizado en la industria de la cerámica para crear esmaltes de color azul, y en tecnologías de separación de agua, los óxidos de cobalto poseen la capacidad única de aceptar cationes de metales de transición sustitutos, lo que les permite mezclarse con níquel, cobre, manganeso o zinc. Estos metales tienen propiedades magnéticas que pueden aumentar la separación entre los electrones que giran hacia arriba y hacia abajo y mejorar la conversión de calor en electricidad.
"El material debe ser un buen conductor eléctrico, pero un mal conductor térmico. Debe conducir electrones, pero no fonones, que son calor", dijo Koneru. "Para estudiar esto experimentalmente, tendríamos que fabricar miles de combinaciones diferentes de materiales. En cambio, estamos tratando de calcular teóricamente cuál es la configuración óptima del material mediante sustituciones".
Desde 2018, Koneru ha estado utilizando supercomputadoras en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) para probar virtualmente los perfiles de energía de una variedad de óxidos de cobalto con un rango de sustituciones.
"Cada calibración lleva de 30 a 40 horas de tiempo de cómputo, y tenemos que estudiar al menos entre 1,000 y 1,500 configuraciones diferentes", explicó. "Requiere una gran capacidad computacional y eso es lo que proporciona TACC".
Koneru, junto con los estudiantes de posgrado UTPB Gustavo Damis Resende, Nolan Hines, y un colaborador de la Universidad de West Virginia, Terence Musho, presentaron sus hallazgos iniciales sobre la capacidad termoeléctrica de los óxidos de cobalto en el Reunión de Primavera de la Sociedad de Investigación de Materiales en Phoenix, Arizona, el 22 de abril.
Los investigadores estudiaron células unitarias de 56 átomos de tres configuraciones de óxido de cobalto, sintonizadas por sustituciones de níquel y zinc, para lograr un rendimiento termoeléctrico óptimo. Utilizaron un paquete de software conocido como Quantum ESPRESSO para calcular las características físicas de cada configuración. Éstos incluyen:
- el intervalo de banda: la energía mínima requerida para excitar un electrón a un estado donde conduce energía;
- el parámetro de red: las dimensiones físicas de las células en una red cristalina;
- la masa efectiva de electrones de conducción: la masa que parece tener una partícula al responder a la fuerza;
- y la polarización del espín: el grado en que el espín se alinea con una dirección dada.
Estas propiedades fundamentales se utilizaron para realizar cálculos convencionales de carga y transporte de rotación, lo que les dice a los investigadores qué tan bien una configuración del óxido de cobalto puede convertir el calor en electricidad.
Según los investigadores, el método desarrollado en esta investigación se puede aplicar a otros materiales termoeléctricos interesantes con propiedades semiconductoras y magnéticas, lo que lo hace ampliamente útil para la comunidad científica de materiales.
Como estudiante de doctorado en la Universidad de West Virginia, Koneru tuvo acceso a grandes supercomputadoras para llevar a cabo su 
investigación. Aunque UTPB no tiene tales recursos localmente, pudo aprovechar los sistemas y servicios informáticos avanzados de TACC a través de Iniciativa UT Research Cyberinfrastructure (UTRC), que, desde 2007, ha brindado a los investigadores de cualquiera de las 14 instituciones del Sistema de la Universidad de Texas acceso a los recursos, la experiencia y la capacitación de TACC.
Como parte de la iniciativa UTRC, el personal de TACC sirve como enlace, visitando los 14 campus de UT System, ofreciendo capacitación y consulta, y presentando a los investigadores los recursos disponibles para ellos. Cuando el investigador de TACC, Ari Kahn, visitó UTPB, conoció a Koneru y lo alentó a calcular en TACC.
Desde entonces, Koneru ha estado utilizando Lonestar5, un sistema exclusivo para investigadores del Sistema UT, para su trabajo. Aunque todavía está en su etapa inicial, los resultados hasta ahora han sido prometedores.
"Estoy emocionado porque pudimos ver claramente la polarización del espín cuando las espinelas de óxido de cobalto fueron sustituidas con níquel. Esa es una buena señal", dijo. "Estamos viendo que una configuración en particular tiene una división más alta en el intervalo de banda, algo que es sorprendente y tenemos que explorar más. Y todas las calibraciones son convergentes, lo que demuestra que son confiables".
Una vez que identifique el material óptimo para la conversión del calor residual, Koneru espera diseñar una pasta que pueda aplicarse al tubo de escape de un vehículo, convirtiendo el calor residual en electricidad para alimentar los sistemas eléctricos de un automóvil. Estima que dicho dispositivo podría costar menos de $ 500 por vehículo y podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en cientos de millones de toneladas anuales.
"Con los recientes avances en nanofabricación y las calibraciones computacionales para nanomateriales, los materiales termo-rotativos pueden desempeñar un papel vital en la conversión de energía en el futuro", dijo.
TACC permite a Koneru acelerar a través de una gran cantidad de configuraciones de materiales posibles para que cuando sea el momento de probarlas experimentalmente, la cantidad de candidatos sea manejable.
"TACC es un sistema muy útil con personal que puede guiarlo si surge algún problema", dijo Koneru. "Si el profesorado o los estudiantes están interesados en la investigación que requiere instalaciones computacionales, TACC es la opción correcta para elegir. Proporciona recursos y experiencia de forma gratuita. Es un gran facilitador para lo que le apasiona".
"Nuestra misión es alentar a los investigadores de todo el estado a utilizar los recursos de TACC para hacer descubrimientos asombrosos que no se pueden hacer en el laboratorio o en grupos locales", dijo Ari Khan de TACC. "La investigación del Dr. Koneru es un gran ejemplo de un proyecto de este tipo que podría tener un gran impacto en la contaminación del aire y el calentamiento global".
