La necesidad de hacer la transición hacia las energías limpias es indiscutible, urgente e inevitable. Se debe limitar el incremento en la temperatura del planeta en 1,5 °C para evitar los catastróficos efectos del cambio climático, un desafío abrumador frente a la demanda mundial de energía en constante aumento.
Parte de la respuesta es utilizar la energía de manera más eficiente. Sorprendentemente, un 70% de toda la energía producida en el mundo se pierde en forma de calor. Por ejemplo, el motor de un carro emplea solo el 30% de la gasolina que quema para mover el automóvil, el resto se disipa hacia el ambiente en forma de calor. Recuperar una pequeña fracción de esa energía perdida, tendría un impacto importante sobre los factores que impulsan el cambio climático. Para ello, sería necesario el desarrollo de los materiales termoeléctricos, que pueden convertir el calor desperdiciado en electricidad, ayudando a mejorar la eficiencia energética.
La transformación del calor en energía eléctrica mediante materiales termoeléctricos se basa en el Efecto Seebeck. En 1826, el físico alemán Thomas Johann Seebeck observó que al unir los extremos de piezas de diferentes metales, y exponerlos a distintas temperaturas, se generaba un campo magnético, causado por una corriente eléctrica. Poco después de su descubrimiento, se fabricaron generadores termoeléctricos metálicos para convertir el calor de los quemadores de gas en una corriente eléctrica. Pero en aquel momento, los metales exhibieron solo un pequeño efecto Seebeck, no fueron muy eficientes para convertir el calor en electricidad. Posteriormente, en 1929 el científico ruso Abraham Ioffe revolucionó el campo de la termoelectricidad. Observó que los semiconductores, materiales cuya capacidad para conducir electricidad se encuentran en un “punto intermedio” entre los metales (cobre) y los aislantes (vidrio), exhiben un efecto Seebeck más alto, aumentando 40 veces la eficiencia termoeléctrica. Este descubrimiento condujo al desarrollo de la lámpara rusa, convirtiéndose en el primer generador termoeléctrico ampliamente utilizado. Esta lámpara de querosén, calentaba un material termoeléctrico lo suficiente como para mantener encendida una radio.
Como se mencionó antes, los mejores materiales termoeléctricos tendrían las propiedades electrónicas de los semiconductores. Estas propiedades no se encuentran en la naturaleza. Por ello, en la última década han surgido nuevas estrategias para diseñar materiales termoeléctricos gracias a una mejor comprensión de la física. Para acelerar el proceso, los investigadores utilizaron cálculos cuánticos para buscar nuevos candidatos termoeléctricos con altas eficiencias, según sus propiedades químicas y físicas. Escudriñaron en una base de datos que contenía miles de materiales, seleccionando aquellos que tuvieran altas cualidades electrónicas y bajos niveles de conducción de calor. Estos conocimientos los ayudaron a encontrar los mejores materiales para ser sintetizados y probados, calculándose además su eficiencia termoeléctrica.
Hasta hace poco, el diseño de los materiales había sido lento. Ahora, los científicos han utilizado estos cálculos cuánticos, un enfoque de modelado basado en computadoras para predecir las propiedades de los materiales termoeléctricos, acelerando el proceso de elaboración e identificando a más de 500 posibles candidatos. En un reciente estudio publicado en la revista científica Nature Materials, los investigadores indicaron que habían diseñado un material llamado seleniuro de estaño con el rendimiento termoeléctrico más alto hasta la fecha, casi el doble que el obtenido hace 20 años. Esta mejora les llevó casi una década de ardua investigación científica.
En la actualidad, las aplicaciones termoeléctricas van desde la generación de energía en sondas espaciales, hasta dispositivos de refrigeración en neveras portátiles. Por ejemplo, las exploraciones espaciales están impulsadas por generadores termoeléctricos de radioisótopos, que convierten el calor del plutonio en electricidad. Esta aplicación fue llevada al cine en la película Misión Rescate, donde una caja con plutonio salvó la vida del personaje interpretado por Matt Damon, manteniéndolo caliente en Marte. A pesar de esta gran diversidad de aplicaciones, la comercialización a gran escala de materiales termoeléctricos todavía está limitada por su baja eficiencia. ¿Qué lo detiene? Se deben considerar dos factores clave: las propiedades conductoras de los materiales y su capacidad para mantener una diferencia de temperaturas, lo que permite generar electricidad.
Con tantas posibilidades y variables, encontrar el camino a seguir es como buscar una minúscula aguja en un enorme pajar. Así como un detector de metales es capaz de encontrar esa aguja en el pajar, los cálculos cuánticos permiten acelerar el descubrimiento de eficientes materiales termoeléctricos. Dichos cálculos permiten predecir con precisión la conducción de electrones y calor para miles de materiales, así como revelar las interacciones entre esas propiedades, que pueden influir en la eficiencia del material. Las aplicaciones a gran escala requerirán materiales termoeléctricos que sean económicos, menos tóxicos y abundantes. El plomo y el telurio se encuentran entre los materiales termoeléctricos actuales, pero su costo y su impacto ambiental negativo los hace poco elegibles.
Los resultados de este estudio sugieren que los cálculos cuánticos pueden identificar las combinaciones más eficientes de materiales para generar energía limpia a partir del calor desperdiciado, contribuyendo a superar la catástrofe que se cierne sobre nuestro planeta.
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