La tinta termoeléctrica imprimible en 3D convierte los tubos de escape de los automóviles en generadores de energía

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Un equipo de investigación del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST) en Corea ha desarrollado una tinta termoeléctrica capaz de producir tubos generadores de energía mediante la impresión 3D.

Compuestos de plomo (Pb) y telurio (Te), los tubos generadores de energía podrían formar la base de generadores termoeléctricos de alto rendimiento capaces de generar electricidad a partir del calor residual de los gases de escape industriales o de automóviles.

Los investigadores creen que su desarrollo ofrece un medio prometedor para mejorar la eficiencia energética del combustible y aprovechar la impresión 3D como un medio para superar los desafíos asociados con los métodos convencionales de fabricación de materiales termoeléctricos, como la flexibilidad de diseño limitada.

"A través de esta investigación, podremos convertir efectivamente el calor generado por las chimeneas de las fábricas, el tipo más común de fuente de calor residual, en electricidad", dijo el profesor Jae Sung Son del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UNIST.

El auge de las tecnologías termoeléctricas

La demanda mundial de energía ha aumentado significativamente en los últimos tiempos debido al aumento de la población mundial y la mejora de los niveles de vida en los países en desarrollo. Según el documento de investigación, más del 80 por ciento del consumo de energía global actual es posible gracias a fuentes de combustibles fósiles, mientras que más de la mitad de la energía térmica generada por la naturaleza y los entornos creados por el hombre simplemente se disipa en el entorno circundante.

Para hacer frente a esto, la generación de energía termoeléctrica podría proporcionar un método fiable y más respetuoso con el medio ambiente para la recuperación del calor residual. Los módulos termoeléctricos deberían, dicen los investigadores, diseñarse específicamente para sistemas individuales para una transferencia de calor eficiente, al tiempo que tienen un sistema simple y un bajo costo de procesamiento. Sin embargo, los procesos de fabricación típicos para producir dichos módulos no cumplen estos requisitos, especialmente para los tubos de escape.

Esta realización llevó al equipo de UNIST a recurrir a la impresión 3D, sobre la cual diseñaron y produjeron con éxito tubos termoeléctricos generadores de energía de alto rendimiento que se pueden personalizar para integrarse con diferentes sistemas térmicos y permitir ajustes geotérmicos.

Generadores de energía termoeléctrica de impresión 3D

Durante su estudio, el equipo de UNIST aprovechó un proceso de impresión 3D basado en extrusión para materiales de PbTe y diseñó un tubo termoeléctrico generador de energía con "patas" de PbTe personalizadas. A continuación, desarrollaron una tinta de PbTe libre de impurezas con viscoelasticidad para que sea adecuada para la impresión 3D e indujeron fuertes cargas superficiales en las partículas dentro de la tinta a través del "dopaje electrónico".

Los investigadores imprimieron en 3D la tinta PbTe en formas similares a tubos que luego se ensamblaron para formar un tubo termoeléctrico generador de energía autosuficiente. Según los investigadores, las propiedades termoeléctricas competitivas y la capacidad de impresión de los materiales PbTe permitieron el diseño de módulos termoeléctricos impresos en 3D de forma libre más allá de las limitaciones de las estructuras convencionales.

Los tubos demostraron un alto rendimiento termoeléctrico a temperaturas entre 400 y 800 grados centígrados, que es el rango de temperatura de los gases de escape de un automóvil. La forma del tubo también hizo que el generador termoeléctrico fuera más efectivo para recolectar calor que un tipo de cuboide convencional.

Por lo tanto, los tubos termoeléctricos impresos en 3D podrían utilizarse directamente como tubos de escape a través de los cuales fluyen fluidos calientes, afirma el equipo, y forman la base de un diseño tipo esqueleto de un sistema generador termoeléctrico simple y liviano. Según se informa, el diseño proporciona el "medio más efectivo para la transferencia de calor" desde el flujo de fluido a alta temperatura a través de un tubo hasta un generador termoeléctrico, ya que no hay capas resistentes al calor entre el fluido y las "patas" termoeléctricas, como un sustrato cerámico en un generador termoeléctrico convencional hecho de aleaciones ferrosas.

El equipo cree que su enfoque ofrece un gran potencial para un procesamiento rentable para diseñar módulos termoeléctricos personalizables de alto rendimiento y, para industrializar la tecnología, buscará superar el problema de la corrosión causada por los gases de escape. El desarrollo de tecnologías de revestimiento anticorrosivo para materiales termoeléctricos ayudará a resolver este problema, y ​​ya se está trabajando en este campo.

"Si usamos tecnología de impresión 3D en la producción de materiales termoeléctricos, podremos superar los límites de los materiales convencionales", dijo el profesor Han Gi Chae del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UNIST. "La nueva tecnología para proporcionar características viscoelásticas a los materiales impresos en 3D se utilizará en varios otros sectores".

Se puede encontrar más información en el estudio titulado: "Viscoelasticidad inducida por dopaje en tintas termoeléctricas PbTe para la impresión 3D de tubos generadores de energía", publicado en la revista Advanced Energy Materials. Los coautores del estudio son J. Lee, S. Choo, H. Ju, J. Hong, S. Eun Yang, F. Kim, D. Hwi Gu, J. Jang, G. Kim, S. Ahn, J Eun Lee, S. You Kim, H. Gi Chae y J. Sung Son.

Mejorar la eficiencia energética con la impresión 3D

Las tecnologías de impresión 3D también se han aprovechado en otros lugares para regular y mejorar la eficiencia térmica y eléctrica de una variedad de componentes industriales.

Por ejemplo, el especialista en cerámica CeramTec ha probado las capacidades de refrigeración de su nuevo módulo de semiconductores de potencia centrado en la movilidad eléctrica, desarrollado en colaboración con Fraunhofer IISB, que está diseñado para regular térmicamente los inversores de accionamiento de los vehículos eléctricos. Según se informa, el módulo alberga el doble de la resistencia térmica de los sistemas convencionales de gestión del calor al tiempo que demuestra una mayor superficie de transferencia de calor.

Mientras tanto, 3D Systems ha sido seleccionado por la empresa aeroespacial Raytheon Technologies y el CCDC del Laboratorio de Investigación del Ejército para desarrollar intercambiadores de calor topológicamente optimizados para el ejército de EE. UU. a través de la fabricación aditiva. Los socios diseñarán, fabricarán y optimizarán un componente capaz de maximizar la refrigeración y el rendimiento del sistema de varios productos de modernización del ejército.

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La imagen destacada muestra A) la configuración de medición completa y B) el TEG montado con enfriador y conectado a la electrónica de medición. Imagen vía UNIST.

Hayley es periodista de tecnología para 3DPI y tiene experiencia en publicaciones B2B que abarcan la fabricación, las herramientas y el ciclismo. Escribiendo noticias y reportajes, tiene un gran interés en las tecnologías emergentes que están impactando el mundo en el que vivimos.