Nuevos Materiales Convierten El Calor En Electricidad

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Los investigadores han desarrollado un nuevo material que cuando el frío no es magnético, pero a altas temperaturas es un imán fuerte. Tales materiales podrían potencialmente usarse para ayudar a generar energía.

Este artículo de Detrás de las escenas se proporcionó a WordsSideKick.com en colaboración con la National Science Foundation.

La mayoría de las centrales eléctricas de hoy en día, desde algunos de los paneles solares más grandes hasta instalaciones de energía nuclear, dependen de la ebullición y condensación del agua para producir energía.

El proceso de convertir el agua calentada en energía fue esencialmente entendido por James Watt en 1765. El calor del sol o de una reacción nuclear controlada hierve el agua, que luego se expande, mueve una turbina y genera energía.

Por que el agua Es barato; absorbe una gran cantidad de "calor latente" a medida que se convierte en vapor; produce mucha potencia a medida que se expande a través de la turbina; y se condensa fácilmente de nuevo a agua líquida utilizando una fuente ambiental como un río.

Calor a electricidad

A partir de la investigación fundamental de Nicolas Leonard Sadi Carnot en 1824, los ingenieros aprendieron cómo manipular la ebullición y condensación del agua, utilizando esta "transformación de fase" entre el líquido y el gas para generar electricidad.

Al agregar calor al agua en el punto correcto del ciclo y evitar el intercambio de calor en otros puntos durante el ciclo, los investigadores pueden extraer la mayor cantidad de energía del vapor. De esta manera, diseñaron cuidadosamente el ciclo para maximizar su eficiencia, un concepto matemático que Carnot definió.

"Esta ebullición y condensación de agua requiere recipientes de presión masiva e intercambiadores de calor para contener el agua", dijo el investigador Richard James, de la Universidad de Minnesota.

James y su equipo de investigadores quieren sustituir una transformación de fase completamente diferente para reemplazar la ebullición y la condensación del agua. Ellos han estado investigando esa posibilidad utilizando una familia de aleaciones metálicas (mezclas específicas de diferentes elementos) llamadas "materiales multiferroicos".

Materiales multiferroicos

Los materiales multiferroicos son materiales que exhiben al menos dos de las tres propiedades "ferroicas": ferromagnetismo (como un imán de hierro, magnetizado espontáneamente), ferroelectricidad (desarrollo espontáneo de dos polos) o ferroelasticidad (deformación espontánea). Una forma natural de exhibir ferroelasticidad es mediante una transformación de fase en la que una estructura cristalina se distorsiona repentinamente en otra, llamada transformación de fase martensítica.

En lugar de agua para vaporizar, la idea del equipo de James es utilizar una transformación de fase martensítica que se produce naturalmente en algunos de estos materiales multiferroicos. Utilizando una teoría matemática para transformaciones de fase martensítica desarrollada con fondos de la Fundación Nacional de Ciencia, los investigadores descubrieron una forma de ajustar sistemáticamente la composición de materiales multiferroicos para poder activar y desactivar la transformación de fase.

Por lo general, la capacidad de un metal para cambiar fases como esta se ve impedida por una característica llamada "histéresis", que es el tiempo que tarda el magnetismo del metal en alcanzar el cambio de fase. Si toma demasiado tiempo, impide la capacidad del metal para cambiar las fases de un lado a otro.

Aleaciones evolutivas

"La idea clave es manipular la composición de la aleación para que las dos estructuras de cristal encajen perfectamente", dijo James. "Cuando se hace esto, la histéresis de la transformación de fase disminuye drásticamente y se vuelve altamente reversible".

Incluso después de que comenzaron a surgir las primeras aleaciones de baja histéresis, la estrategia se basaba en la teoría. "Para estar seguros de que la histéresis disminuyó por la razón esperada, fue fundamental que veamos las interfaces perfectas en las aleaciones sintonizadas", dijo James.

Para este propósito, James se unió a Nick Schryvers del Laboratorio de Microscopía Electrónica para la Ciencia de Materiales en la Universidad de Amberes en Bélgica, un centro célebre para el estudio de transformaciones de fase utilizando microscopía electrónica. El estudio resultante, realizado por Schryvers y Remi Delville, estudiante graduado de la Universidad de Amberes, reveló interfaces perfectamente iguales entre las dos fases.

Heusler aleaciones

Los investigadores siguieron el concepto en una familia de aleaciones llamadas aleaciones de Heusler que son magnéticas, aunque los metales que las componen no lo son. Nombrado para el ingeniero de minas alemán Friedrich Heusler, quien notó que Cu2MnSn (cobre-manganeso-estaño) es magnético, aunque los elementos separados Cu, Mn y Sn no son magnéticos, esta familia de aleaciones tiene una propensión sorprendente a exhibir magnetismo. Como señala James, los Heusler también están cargados con transformaciones de fase martensítica.

Trabajando en el grupo de James, el compañero postdoctoral Vijay Srivastava aplicó la estrategia para lograr una baja histéresis, cambiando sistemáticamente la composición de la aleación básica de Heusler Ni.2MnSn y llegando a Ni45Co5Minnesota40Sn10.

"Ni45Co5Minnesota40Sn10 es una aleación notable ", dijo James." La fase de baja temperatura no es magnética, pero la fase de alta temperatura es un imán fuerte, casi tan fuerte como el hierro a la misma temperatura. -Transportación de agua en una central eléctrica.

"Si rodea la aleación con una bobina pequeña y la calienta durante la transformación de fase, la magnetización que cambia repentinamente induce una corriente en la bobina", dijo James. "En el proceso, la aleación absorbe algo de calor latente. Convierte el calor directamente en electricidad".

Revolucionando las centrales eléctricas.

Las consecuencias para la tecnología son potencialmente de gran alcance. En una planta de energía, no se necesitarían los recipientes de presión masiva, tuberías e intercambiadores de calor utilizados para transportar y calentar el agua. Dado que la temperatura de transformación se puede ajustar en un amplio rango, el concepto es adaptable a muchas fuentes de calor almacenadas en la tierra con pequeñas diferencias de temperatura.

"Incluso se puede soñar con usar la diferencia de temperatura entre la superficie del océano y unos cientos de metros hacia abajo", dijo James.

Junto con el profesor Christopher Leighton en la Universidad de Minnesota, los investigadores también están estudiando la posibilidad de hacer versiones de película delgada de sus dispositivos. Aquellos podrían trabajar en computadoras, directamente en el chip, para convertir el calor residual en electricidad para cargar la batería.

James enfatiza que su demostración es solo una de las muchas formas en que se pueden usar las transformaciones de fase martensítica para la conversión de energía.

"Además del magnetismo, hay muchas propiedades físicas que podrían ser diferentes en las dos fases y podrían usarse para generar electricidad a partir del calor", dijo James. "¿Pero cómo desarrollar estos conceptos y cuáles funcionarán mejor?"

"Incluso el criterio de 'mejor' no está claro, ya que uno no paga por el calor residual", continuó James. "Realmente, tenemos que repensar desde los principios fundamentales la termodinámica de la conversión de energía a una pequeña diferencia de temperatura".

Nota del editor: Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation, la agencia federal encargada de financiar la investigación básica y la educación en todos los campos de la ciencia y la ingeniería. Todas las opiniones, hallazgos y conclusiones o recomendaciones expresadas en este material son las del autor y no necesariamente reflejan los puntos de vista de la National Science Foundation. Ver el archivo detrás de las escenas.


Suplemento De Vídeo: Como hacer un generador de energía eléctrica (Maqueta demostrativa).




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