Imagen que resume la inspiración detrás del documento, que tiene como objetivo introducir un intercambiador de calor gyroid, particularmente para aplicaciones aeroespaciales. Crédito: K. Yan, H. Deng, Y. Xiao, J. Wang, Y. Luo, Evaluación de rendimiento termohidráulico a través del experimento y simulación de intercambiador de calor estructurado con giroides fabricados por aditivos, ingeniería térmica aplicada 241 (2024) 122402.
En las últimas décadas, los ingenieros de energía han estado desarrollando una amplia gama de nuevas tecnologías que podrían alimentar dispositivos electrónicos, robots y vehículos eléctricos de manera más eficiente y confiable. Estos incluyen células de óxido sólido (SOC), dispositivos electroquímicos que pueden funcionar en dos modos diferentes, como celdas de combustible o como electrolizeros.
Las celdas de combustible son dispositivos que pueden convertir la energía en productos químicos específicos en electricidad a través de reacciones químicas. Los electrolizeros, por otro lado, son tecnologías que pueden dividir agua (H2O) u otras moléculas que usan electricidad, para producir hidrógeno (H2) u otros productos químicos deseables.
La mayoría de los SOC desarrollados hasta ahora son bidimensionales (2D) y consisten en estructuras planas con capas apiladas de diferentes materiales. Sin embargo, este diseño 2D limita la medida en que los dispositivos se pueden reducir en tamaño y al mismo tiempo aumentar su peso, ya que se basa en las interconexiones metálicas para permitir el flujo de energía y sellar diferentes componentes.
Investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca recientemente diseñaron nuevos SOC tridimensionales (3D) con una estructura de superficie periódica conocida como giroidea. Estas células, descritas en un papel publicado En la energía de la naturaleza, se puede fabricar utilizando la impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva.
“Se ha demostrado que el uso de estructuras giroideas en intercambiadores de calor reduce el peso, mejora la compacidad y aumenta la eficiencia”, dijo el profesor Vincenzo Esposito, autor correspondiente del documento, a Tech Xplore. “Reemplazamos el metal con una cerámica que conduzca iones, y nos damos cuenta del concepto 3D-SOC. El 3D-SOC es adecuado para aplicaciones que exigen construcción ligera, compacidad y estabilidad, como las de las industrias aeroespaciales y automotrices”.
Imagen que muestra la estructura y los componentes de las pilas SOC convencionales, incluidas las células individuales, las interconexiones metálicas y los selladores. Crédito: https://www.marposs.com/eng/application/solid-oxide-fuel-cells-stack, (24 de diciembre de 2023).
Los SOC girodiales monolíticos desarrollados por el profesor Esposito y sus colegas tienen tres componentes principales: un electrolito cerámico denso, un electrodo de combustible poroso y un electrodo de oxígeno poroso. Al igual que otros SOC, pueden operar en dos modos diferentes, a saber, como celdas de combustible o como electrolizeros.
“En el modo de celda de combustible (SOFC), la celda genera electricidad utilizando gases de combustible como H₂, CH₄ y CO, normalmente llamado X to Power”, dijo el profesor Esposito. “En el modo de electrólisis (SOEC), produce gases de combustible y O₂ al electrolizar H₂O o Co₂, llamado energía a X”.
Para fabricar sus SOC 3D, los investigadores primero se dieron cuenta de su marco cerámico monolítico, que incluye un electrolito, la estructura de sellado y soporte. Toda esta estructura se fabricó utilizando tecnología de impresión 3D.
Posteriormente, cubrieron el electrodo de combustible y el electrodo de oxígeno en las superficies del electrolito. Finalmente, co-cayeron el electrolito, el electrodo de combustible y el electrodo de oxígeno juntos, lo que finalmente logró un SoC Gyroid monolítico en funcionamiento.
“En comparación con la tecnología de pila SOC convencional, el 3D-SOC tiene un proceso de fabricación extremadamente simplificado”, explicó el Dr. Zhipeng Zhou, autor principal del documento. “Una pila SOC convencional requiere la integración de numerosos componentes, incluidas las células individuales, las interconexiones metálicas y los selladores. En contraste, el 3D-SOC se puede fabricar utilizando solo procesos de impresión 3D, revestimiento y co-sinteración”.
Caracterización estructural del 3D Soc. Crédito: Nature Energy (2025). Doi: 10.1038/s41560-025-01811-y
En contraste con los SOC 2D, el dispositivo 3D desarrollado por los investigadores puede ampliarse sin la necesidad de componentes adicionales, lo que a su vez reduce su peso total. Además, el nuevo diseño del equipo permite un mayor espacio para el electrolito, al tiempo que minimiza el tamaño de la celda y maximiza su compacidad.
“El 3D-SOC es flexible y podría ser elegido sin interconexiones metálicas”, dijo el Dr. Zhou. “La eliminación completa de las interconexiones metálicas mejoró significativamente la estabilidad del sistema SOC y redujo su costo”.
El trabajo reciente del profesor Esposito, el Dr. Zhou y sus colegas abre nuevas posibilidades emocionantes para la fabricación de SOC 3D. En el futuro, los dispositivos que diseñaron podrían mejorarse aún más y implementarse en varios entornos, particularmente dentro de las industrias aeroespaciales y automotrices.
“Algunos ejemplos incluyen Programa de Marte de la NASA y el avión SOFC de Airbus (Hylena | Aerobús) “, dijo el Dr. Venkata Nadimpalli, autor correspondiente del artículo”. Desde una perspectiva científica, el 3D-SOC presenta estructuras fundamentalmente diferentes en comparación con los diseños SOC convencionales. Como resultado, las conclusiones extraídas de los SOC tradicionales pueden no aplicarse a 3D-SOCS, debido a sus distintas propiedades de distribución de gas y transporte de calor “.
El profesor Esposito, el Dr. Zhou y el Dr. Nadimpalli esperan que su estudio pronto inspire a otros grupos de investigación a diseñar SOC 3D similares que sean compactos, de gran rendimiento y más escalables.
Escrito para usted por nuestro autor Ingrid Fadellieditado por Gaby Clarky verificado y revisado por Robert Egan—Este artículo es el resultado de un trabajo humano cuidadoso. Confiamos en lectores como usted para mantener vivo el periodismo científico independiente. Si este informe le importa, considere un donación (especialmente mensual). Obtendrá una cuenta sin anuncios como agradecimiento.
Más información: Zhipeng Zhou et al, células de óxido sólido giroideo monolítico por fabricación aditiva, energía natural (2025). Doi: 10.1038/s41560-025-01811-y.
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Cita: las células de óxido sólido giroidal impreso en 3D ofrecen soluciones de energía más livianas y compactas (2025, 20 de agosto) Recuperado el 20 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-3d-gyroidal-solid-óxido-cells.html
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