Generadores termoeléctricos: Una alternativa sustentable para convertir el calor corporal en electricidad

Por José Manuel Mata Padilla, Carlos Alberto Ávila Orta, Jorge Enrique Rivera Salinas, Janett Anaid Valdez Garza. Centro de Investigación en Química Aplicada

En las últimas décadas, ha habido un auge en el desarrollo de dispositivos electrónicos portátiles (teléfonos celulares, relojes inteligentes, sensores de condiciones medioambientales, sensores biométricos) e implantes médicos electrónicos (auditivos, marcapasos, etc.) que usualmente demandan varios cientos de watts (W) de energía para funcionar.

No obstante, la miniaturización en la electrónica de estos dispositivos ha permitido que la energía requerida para su funcionamiento se haya reducido hasta un rango de 0.1 a 10,000 μW (10 mW) aunque para el correcto funcionamiento, de estos dispositivos, esta energía debe ser suministrada de manera continua.

Esto se ha cubierto durante varios años con baterías electroquímicas, sin embargo, estas tienden a descargarse rápidamente o a fallar y, por lo tanto, deben ser reemplazadas constantemente convirtiéndose en un problema de contaminación ambiental y económico para el usuario.

Esquema sobre la aplicación de los generadores termoeléctricos flexibles para el suministro de energía eléctrica a dispositivos electrónicos portátiles.

Ante esta problemática, ha sido necesario desarrollar nuevas tecnologías más sustentables que permitan operar los dispositivos electrónicos de manera continua. Una de las tecnologías, con estas características, que ha ganado terreno en los últimos años son los generadores termoeléctricos (GTE’s).

Estos son dispositivos de estado sólido que producen energía eléctrica a partir de diferencias de temperaturas producidas entre una fuente de calor y el medio ambiente sobre los extremos del GTE (Figura 1), aprovechando el efecto termoeléctrico descubierto en 1821 por el físico alemán Thomas Johann Seebeck, quien observó que al soldar dos metales diferentes (cobre y bismuto) y calentar uno a alta temperatura y el otro mantenerlo a baja temperatura, se produjo un campo eléctrico. Este fenómeno se denomina como “Efecto Seebeck” en su honor.

Un ejemplo de la aplicación de esta tecnología fue empleado de manera exitosa para proveer electricidad, usando una fuente de calor radioactiva, a las sondas espaciales de las misiones Voyager y Galileo de la NASA en los años 70’s [1, 2], así como otras sondas espaciales y robots de exploración en años más recientes [3]. Los GTE’s tienen grandes ventajas respecto de otras fuentes de energía como una vida útil más larga, no tiene piezas móviles, ni emisiones contaminantes, tienen bajos costes de operación y mantenimiento, y son confiables en su operación [4], aunque la energía que puede suministrar aún es baja.

Para el caso particular de los aparatos electrónicos portátiles, la fuente de calor que mayor potencial de explotación tiene es la emitida por el cuerpo humano; ya que se ha reportado que el cuerpo humano es una gran fuente continua de calor que libera aproximadamente entre 100 y 525 W por día el cual puede ser convertido en electricidad mediante los GTE’s [4]. Sin embargo, los GTE’s comerciales actuales son fabricados con materiales semiconductores inorgánicos altamente rígidos y, por lo tanto, su aplicación para la recolección de energía térmica corporal es limitada.

Ante esta situación, es necesario fabricar GTE’s flexibles, miniaturizados y ligeros que puedan adaptarse al cuerpo humano. Algunas investigaciones [4, 5] han desarrollado GTE’s flexibles empleando sustratos poliméricos sobre los que se ensamblan las piezas fabricadas con semiconductores tipo p y tipo n (ver Figura 1) y que presentan una eficiencia termoeléctrica alta, denominada Figura de Mérito (ZT) y que está definida por la ecuación:

Donde S es el coeficiente Seebeck, σ es la conductividad eléctrica, κ es la conductividad térmica y T es la temperatura de análisis en Kelvin. El semiconductor inorgánico más eficiente y comercializado para este tipo de aplicaciones es el Telururo de Bismuto (Bi₂Te₃), aunque tiene la desventaja de su alto costo, alta toxicidad y baja disponibilidad.

No obstante, existe otra alternativa como son los materiales termoeléctricos orgánicos donde se aprovechan las bondades de la alta flexibilidad, facilidad de procesamiento, bajo costo y durabilidad de los polímeros en combinación con bajas concentraciones de partículas con alta conductividad eléctrica y alto efecto Seebeck.

Bajo esta perspectiva, nuestro grupo de investigación en el Centro de Investigación en Química Aplicada ha centrado esfuerzos en el descubrimiento y diseño de nuevos materiales termoeléctricos orgánicos, haciendo usos de herramientas de simulación numérica (elemento finito) para la predicción de propiedades termoeléctricas, en conjunto con el desarrollo experimental de materiales semiconductores poliméricos compuestos con esferas de vidrio y nanotubos de carbono de pared múltiple o partículas de materiales termoeléctricos inorgánicos como el Bi₂Te₃.

Hasta el momento, hemos desarrollado espumas poliméricas semiconductoras de Poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estireno sulfonado) (PEDOT: PSS) con conductividad eléctrica mejorada (10² S/m), equiparada con la de algunos materiales metálicos, pero con la ventaja de que presentan una baja conductividad térmica (10^-1 W/mK) y una baja densidad.

Estos resultados validaron en la mayoría de los casos a las predicciones hechas por simulación numérica para la conductividad eléctrica y la conductividad térmica [7].

Estos materiales, desarrollados por el grupo de trabajo, son amplios candidatos para ser utilizados posteriormente para la fabricación de GTE’s que puedan ser destinados para la alimentación continua de electricidad de los diversos dispositivos electrónicos portátiles, debido a que son ligeros, flexibles y tienen dos de las principales propiedades buscadas en los materiales termoeléctricos (alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica), aunque dentro de nuestra investigación aún es necesario validar y optimizar el efecto Seebeck de estos materiales.

Agradecimientos.

Al Consejo Nacional de Humanidades Ciencias y Tecnologías por el apoyo del proyecto Nº 320630 “Descubrimiento y diseño de nuevos materiales termoeléctricos híbridos orgánicos/inorgánicos con alta eficiencia termoeléctrica”.

Referencias

• NASA’s Voyager Will Do More Science With New Power Strategy, Apr 26, 2023, National Aeronautics and Space Administration (NASA) web page, https://www.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-2/nasas-voyager-will-do-more-science-with-new-power-strategy/
• GREENFIELD, M., REEVE, R., STULTZ, J., & WU, P. (1989). Thermal design of the Galileo spun and despun science. In 24th Thermophysics Conference. Reston, Virigina: American Institute of Aeronautics and Astronautics. https://doi.org/10.2514/6.1989-1750.
• Radioisotope Power, June 13, 2023, National Aeronautics and Space Administration (NASA) web page, https://science.nasa.gov/planetary-science/programs/radioisotope-power-systems/power-radioisotope-thermoelectric-generators/
• Siddique, A. R. M., Mahmud, S., & Heyst, B. Van. (2017). A review of the state of the science on wearable thermoelectric power generators (TEGs) and their existing challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 73, 730–744. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.177
• Kim, M.-K., Kim, M.-S., Lee, S., Kim, C., & Kim, Y.-J. (2014). Wearable thermoelectric generator for harvesting human body heat energy. Smart Materials and Structures, 23(10), 105002. https://doi.org/10.1088/0964-1726/23/10/105002.
• Elmoughni, H. M., Atalay, O., Ozlem, K., & Menon, A. K. (2022). Thermoelectric Clothing for Body Heat Harvesting and Personal Cooling: Design and Fabrication of a Textile‐Integrated Flexible and Vertical Device. Energy Technology, 10(10). https://doi.org/10.1002/ente.202200528.
• Mata-Padilla, J. M., Rivera-Salinas, J. E., Martínez-Colunga, J. G., Cadenas-Pliego, G., Ceniceros-Reyes, M. A., Hurtado-López, G. F., & Arellano-Galindo, L. G. (2023). Improvement of electrical conductivity of PEDOT: PSS syntactic foams with segregated electrically conductive microstructure: Experimental and finite element analysis. Polymer, 283, 126230. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2023.126230.

Semblanza y contactos

• Dr. José Manuel Mata Padilla. Investigador por México de CONAHCyT comisionado al CIQA en el Departamento de Procesos de Transformación de Plásticos. Responsable técnico del proyecto 320630. Miembro del SNII Nivel I. contacto: jose.mata@ciqa.edu.mx, jmmata@conahcyt.mx.
• Dr. Carlos Alberto Ávila Orta. Investigador Titular C del Departamento de Materiales Avanzados del CIQA. Miembro del SNII Nivel II. contacto: carlos.avila@ciqa.edu.mx.
• Dr. Jorge Enrique Rivera Salinas. Investigador por México de CONAHCyT comisionado al CIQA en el Departamento de Procesos de Transformación de Plásticos. Miembro del SNII Nivel I. Contacto: enrique.rivera@ciqa.edu.mx.
• L. Q. Janett Anaid Valdez Garza. Técnico Titular C del Departamento de Materiales Avanzados del CIQA. Contacto: janett.valdez@ciqa.edu.mx.