Con simulaciones numéricas analizan propiedades termoeléctricas de materiales

En su reporte Tendencias Globales en la Inversión en Energías Renovables 2019, la ONU ubica a México como el país número 14 entre las naciones que destinan mayor inversión para desarrollar fuentes energéticas sustentables, y la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales en la Guía de Programas de Fomento a la Generación de Energías con Recursos Renovables menciona varias formas convencionales: solar, eólica, hidráulica, geotérmica, oceánica o biomasa.

En la búsqueda de establecer nuevos métodos para generar energía limpia, un grupo de investigación del Cinvestav Unidad Querétaro, liderado por Rito Daniel Olguín Melo, analiza las propiedades electrónicas y de transporte térmico de sólidos; estudia materiales de la familia III-VI de la tabla periódica, que incluyen al Galio e Indio y Selenio y Teluro, respectivamente, los cuales forman una configuración geométrica laminar.

El análisis de los materiales se hace a través de modelos numéricos y teóricos, en los cuales se les aplican las condiciones de frontera apropiadas a las ecuaciones de la mecánica cuántica utilizadas en los modelos. La supercomputadora Abacus del Cinvestav, con su eficiencia y respuesta de trabajo, permitió hacer bastante cálculo numérico en el presente problema termoeléctrico.

La simulación numérica en un problema de estado sólido trata encontrar una solución apropiada a la ecuación Schrödinger, que indique cómo se comporta un sistema físico en ciertas condiciones de frontera y de estabilidad, es decir, un conjunto de átomos con una configuración geométrica para formar un sólido, el cual se debe obedecer las relaciones de interacción y así poder formar un sistema estable.

Para resolver esa ecuación se deben crear algunos algoritmos numéricos que ayuden a encontrar la condición de mínima energía total del sistema, la cual es la condición cuántica que nos ayuda a decidir cuando un sistema cumple con la condición de estabilidad. Una vez obtenida esta configuración se pueden analizar las propiedades térmicas del material mediante el conjunto de ecuaciones apropiadas.

 “Es una investigación de ciencia básica donde se analiza un sistema laminar con un arreglo geométrico de átomos en cierta configuración de capas para formar un sólido, y se somete a presión hidrostática o tensión en el plano laminar con el propósito de observar los cambios en sus propiedades electrónicas y termoeléctricas”, explicó Olguín Melo.

Las propiedades eléctricas y termoeléctricas de estos materiales podrían tener aplicaciones importantes en la tecnología, porque se espera sean sistemas capaces de ayudar a recuperar la pérdida de calor en diferentes equipos de trabajo, como los motores de diversos tipos.

Un ejemplo simple son los vehículos de combustión interna, donde la temperatura de trabajo del motor está en el rango de 80 a 100 grados centígrados, y con el análisis de las propiedades termoeléctricas de estos materiales se intenta recuperar la energía que se pierde y que se podría usar para encender una lámpara o un led dentro del mismo; por ello la importancia de conseguir materiales capaces de convertir el calor en energía eléctrica.

“Se trata de generar un poco de electricidad a partir de métodos alternativos mediante una producción limpia o de procesos verdes, en el caso de los materiales termoeléctricos es una aplicación secundaria de un fenómeno natural que se observa en un dispositivo de trabajo”, sostuvo Rito Daniel Olguín.

El efecto termoeléctrico se presenta en un sistema físico como respuesta a una diferencia de temperatura que tiende a mover los electrones y a generar una densidad de corriente eléctrica, donde si no existen campos magnéticos y eléctrico, la densidad de corriente es proporcional al gradiente de temperatura.  Aunque es una densidad de corriente muy débil, lo que se pretende es aprovechar la corriente eléctrica generada por el exceso de calor en un dispositivo de trabajo.

Pensando a futuro y con la miniaturización de la tecnología con sistemas nanométricos, del orden de 10 a la menos nueve metros de dimensión, es claro que al reducir el tamaño de los dispositivos las distancias a recorrer por los electrones para transferir electricidad son menores y con mayor eficiencia; con esto se disminuye la perdida de transferencia de información, electricidad y calor, por lo tanto el estudio de nuevos materiales con mejores propiedades eléctricas y termoeléctricas es muy importante.

Algunas aplicaciones futuras de estos sistemas, se encontraría en la generación de energía limpia, pero ya no como sistema termoeléctrico, sino como uno auxiliar de transferencia en una fotocelda o de generación de electricidad por radiación solar. “Esto tiene muchas posibilidades, pero primero se debe hacer el trabajo de investigación básico para observar si el sistema es apropiado para aprovechar sus cualidades”, aseguró Rito Daniel Olguín Melo.