Emisor térmico innovador mejora la eficiencia de conversión de energía

Investigadores de la Universidad Rice han revelado un emisor térmico revolucionario que aumenta significativamente la eficiencia de los sistemas termofotovoltaicos (TPV), que convierten el calor en electricidad mediante luz. Este desarrollo podría allanar el camino para alternativas más asequibles a las baterías a gran escala y facilitar la transición hacia un mundo sin emisiones.

Los diseños tradicionales de emisores térmicos a menudo han estado limitados, lo que resulta en dispositivos de bajo rendimiento o emisores de alto rendimiento que son difíciles de integrar en aplicaciones prácticas. Aprovechando principios de la física cuántica, el ingeniero Gururaj Naik y su equipo crearon un emisor térmico que logra una alta eficiencia dentro de parámetros de diseño realistas.

“Esencialmente, demostramos cómo lograr el mejor rendimiento posible de un emisor teniendo en cuenta las limitaciones de diseño realistas y prácticas”, dijo Cyril Samuel Prasad, autor principal del estudio y exestudiante graduado de Naik.

El nuevo emisor térmico consiste en una hoja de tungsteno, una delgada capa de material separador y una red de nanocilindros de silicio. Al calentarse, las capas base acumulan radiación térmica, que se puede imaginar como un baño de fotones. Los diminutos resonadores ubicados en la parte superior interactúan de tal manera que les permite “capturar fotón tras fotón” de este baño, controlando el brillo y el ancho de banda de la luz enviada a la celda fotovoltaica.

“En lugar de centrarnos en el rendimiento de sistemas de un solo resonador, tuvimos en cuenta cómo interactúan estos resonadores, lo que abrió nuevas posibilidades. Esto proporcionó control sobre cómo se almacenan y liberan los fotones”, explicó Naik.

Esta emisión selectiva maximiza la conversión de energía, logrando una mayor eficiencia que la posible anteriormente, funcionando en los límites de las propiedades de los materiales. La nueva tecnología podría hacer que el TPV sea una alternativa competitiva a otras tecnologías de almacenamiento y conversión de energía, especialmente en escenarios que requieren almacenamiento de energía a largo plazo.

“Estoy seguro de que lo que hemos demostrado, junto con una celda fotovoltaica muy eficiente con un pequeño ancho de banda prohibido, tiene un gran potencial. Basado en mi experiencia con la NASA y el lanzamiento de una startup en el sector de energías renovables, creo que las tecnologías de conversión de energía son muy demandadas hoy en día”, afirmó Naik.

Además, esta tecnología podría utilizarse en aplicaciones espaciales, como para alimentar rovers en Marte. “Si nuestro enfoque puede aumentar la eficiencia de tales sistemas del 2% al 5%, sería un impulso significativo para misiones que dependen de una generación efectiva de electricidad en condiciones extremas”, añadió Naik.

Este desarrollo también podría ayudar a recuperar el calor residual de los procesos industriales, haciéndolos más sostenibles. Se estima que entre el 20% y el 50% del calor utilizado para convertir materias primas en bienes de consumo se desperdicia, lo que le cuesta a la economía de Estados Unidos más de 200 mil millones de dólares anualmente.

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