Este diagrama muestra a los investigadores cómo existe la energía eléctrica en una muestra de Fe3Ga. Crédito: © 2020 Sakai et al

Un generador delgado a base de hierro utiliza calor residual para proporcionar pequeñas cantidades de energía.

Los investigadores han encontrado una manera de convertir la energía térmica en electricidad con un material no tóxico. El material es principalmente hierro, que es extremadamente barato dada su abundancia relativa. Un generador basado en este material podría alimentar dispositivos pequeños, como sensores remotos o dispositivos portátiles. El material puede ser delgado, por lo que se puede moldear en varias formas.

no Hay tal cosa como un almuerzo gratis, o energía libre. Pero si sus demandas de energía son lo suficientemente bajas, por ejemplo, en el caso de un pequeño sensor de algún tipo, entonces hay una manera de aprovechar la energía térmica para suministrar energía sin cables ni baterías. El investigador asociado Akito Sakai y miembros de su laboratorio en el Instituto de Física de Estado Sólido y el Departamento de Física de la Universidad de Tokio, dirigido por el profesor Satoru Nakatsuji, y del Departamento de Física Aplicada, dirigido por el profesor Ryotaro Arita, han dado pasos hacia este objetivo con su innovador material termoeléctrico a base de hierro.

Dispositivos termoeléctricos basados en el efecto anómalo Nernst (izquierda) y el efecto Seebeck (derecha). (V) representa la dirección de la corriente, (T) el gradiente de temperatura y (M) el campo magnético. Crédito: © 2020 Sakai et al

«Hasta ahora, todo el estudio sobre generación termoeléctrica se ha centrado en el efecto Seebeck establecido pero limitado», dijo Nakatsuji. «En contraste, nos enfocamos en un fenómeno relativamente menos familiar llamado efecto anómalo de Nernst (ANE).»

ANE produce un voltaje perpendicular a la dirección de un gradiente de temperatura a través de la superficie de un material adecuado. El fenómeno podría ayudar a simplificar el diseño de los generadores termoeléctricos y mejorar su eficiencia de conversión si los materiales adecuados estuvieran más disponibles.

Un diagrama para mostrar la estructura de red nodal responsable del efecto Nernst anómalo. Crédito: © 2020 Sakai et al

«Fabricamos un material que es 75 por ciento de hierro y 25 por ciento de aluminio (Fe3Al) o galio (Fe3Ga) mediante un proceso llamado dopaje», dijo Sakai. «Esto impulsó significativamente el AAN. Vimos un salto de voltaje de veinte veces en comparación con las muestras no dopadas, lo cual fue emocionante de ver.»

Esta no es la primera vez que el equipo ha demostrado el AAN, pero los experimentos anteriores utilizaron materiales menos disponibles y más caros que el hierro. La atracción de este dispositivo es en parte sus componentes no tóxicos y de bajo costo, pero también el hecho de que se puede fabricar en una forma de película delgada para que se pueda moldear para adaptarse a varias aplicaciones.

«Las estructuras delgadas y flexibles que ahora podemos crear podrían cosechar energía de manera más eficiente que los generadores basados en el efecto Seebeck», explicó Sakai. «Espero que nuestro descubrimiento pueda llevar a tecnologías termoeléctricas para alimentar dispositivos portátiles, sensores remotos en lugares inaccesibles donde las baterías no son prácticas, y más.»

Antes de los últimos tiempos, este tipo de desarrollo en la ciencia de los materiales provenía principalmente de iteraciones y refinamientos repetidos en experimentos que consumían mucho tiempo y eran costosos. Pero el equipo se basó en gran medida en métodos computacionales para los cálculos numéricos, reduciendo efectivamente el tiempo entre la idea inicial y la prueba de éxito.

«Los cálculos numéricos contribuyeron en gran medida a nuestro descubrimiento; por ejemplo, los cálculos automáticos de alta velocidad nos ayudaron a encontrar materiales adecuados para probar», dijo Nakatsuji. «Y los cálculos de los primeros principios basados en la mecánica cuántica acortan el proceso de análisis de estructuras electrónicas que llamamos redes nodales, que son cruciales para nuestros experimentos.»

«Hasta ahora este tipo de cálculo numérico era prohibitivamente difícil», dijo Arita. «Por lo tanto, esperamos que no solo nuestros materiales, sino también nuestras técnicas computacionales puedan ser herramientas útiles para otros. Todos estamos ansiosos por ver algún día dispositivos basados en nuestro descubrimiento.»

Referencia: «Ferromagnetos binarios a base de hierro para conversión termoeléctrica transversal» por Akito Sakai, Susumu Minami, Takashi Koretsune, Taishi Chen, Tomoya Higo, Yangming Wang, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Shinji Cane, Daisuke Nishio-Hamane, Fumiyuki Ishii, Ryotaro Arita y Satoru Nakatsuji, 27 de abril de 2020, nature.DOI: 10.1038 / s41586-020-2230-z

Este trabajo está parcialmente respaldado por CREST (JPMJCR18T3), PRESTO (JPMJPR15N5), la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón, por Subvenciones para Investigación Científica en Áreas Innovadoras (JP15H05882 y JP15H05883) del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón, y por Subvenciones para Investigación Científica (JP16H02209, JP16H06345, JP19H00650) de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS). El trabajo para el cálculo de los primeros principios fue apoyado en parte por la Subvención de JSPS para la Investigación Científica en Áreas Innovadoras (JP18H04481 y JP19H05825) y por el MEXT como un tema prioritario social y científico (Creación de nuevos dispositivos funcionales y materiales de alto rendimiento para apoyar a las industrias de próxima generación) que se abordará mediante el uso de computadoras post-K (hp180206 y hp190169).