Los investigadores de APL han desarrollado nuevos materiales llamados ajedrez que mejoran significativamente la eficiencia de los dispositivos de enfriamiento termoeléctrico. Su avance casi duplica el rendimiento de los materiales tradicionales a temperatura ambiente, lo que lleva a sistemas de enfriamiento mucho mejores y tecnologías de ahorro de energía. Crédito: Johns Hopkins APL/Ed Whitman
Los investigadores del Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins (APL) en Laurel, Maryland, han desarrollado una nueva tecnología de refrigeración termoeléctrica de estado sólido fácilmente fabricable con materiales nano-diseñados que son dos veces más eficientes que los dispositivos hechos con materiales termoeléctricos a granel disponibles comercialmente.
A medida que la demanda global crece para soluciones de enfriamiento más eficientes, confiables y compactas, este avance ofrece una alternativa escalable a la refrigeración tradicional basada en el compresor.
En un artículo publicado en Nature Communications, un equipo de investigadores de ingenieros de APL y refrigeración de Samsung Electronics demostró una mejor eficiencia y capacidad de bomba de calor en sistemas de refrigeración atribuibles a los materiales termoeléctricos de alto rendimiento de alto rendimiento inventados a APL conocidos como APL de estructuras de superlateo de ingeniería jerárquica (Cess).
La tecnología de ajedrez es el resultado de 10 años de investigación de APL en el desarrollo avanzado de materiales termoeléctricos y aplicaciones termoeléctricas nanogineadas. Inicialmente desarrollado para aplicaciones de seguridad nacional, el material también se ha utilizado para terapias de enfriamiento no invasivas para prótesis y ganó un premio de I + D 100 en 2023.
“Esta demostración de refrigeración en el mundo real utilizando nuevos materiales termoeléctricos muestra las capacidades de las películas delgadas de ajedrez nanogineadas”, dijo Rama Venkatasubramanian, investigador principal del proyecto conjunto y tecnólogo principal de Thermoelectric en APL.
“Marca un salto significativo en la tecnología de enfriamiento y prepara el escenario para traducir los avances en materiales termoeléctricos a aplicaciones prácticas de refrigeración a gran escala y con eficiencia energética”.
Un nuevo punto de referencia para el enfriamiento de estado sólido
El impulso de tecnologías de enfriamiento más eficientes y compactas es alimentado por una variedad de factores, que incluyen el crecimiento de la población, la urbanización y una creciente dependencia de la electrónica avanzada y la infraestructura de datos. Los sistemas de enfriamiento convencionales, aunque efectivos, a menudo son voluminosos, intensivos en energía y dependen de refrigerantes químicos que pueden ser perjudiciales para el medio ambiente.
La refrigeración termoeléctrica se considera ampliamente como una solución potencial. Este método se enfría mediante el uso de electrones para mover el calor a través de materiales semiconductores especializados, eliminando la necesidad de piezas móviles o productos químicos dañinos, lo que hace que estos refrigeradores de próxima generación sean silenciosos, compactos, confiables y sostenibles.
Los materiales termoeléctricos a granel se utilizan en dispositivos pequeños como mini fridges, pero su eficiencia limitada, baja capacidad de bomba de calor y su incompatibilidad con la fabricación escalable de chips semiconductores han evitado históricamente su uso más amplio en los sistemas de alto rendimiento.
En el estudio, los investigadores compararon los módulos de refrigeración que utilizan materiales termoeléctricos a granel tradicionales con aquellos que usan materiales de película delgada de ajedrez en pruebas de refrigeración estandarizadas, midiendo y comparando la potencia eléctrica necesaria para lograr varios niveles de enfriamiento en los mismos sistemas de prueba de refrigerador comercial.
El equipo de refrigeración de Samsung Electronics, dirigido por el ingeniero de materiales Sungjin Jung, colaboró con APL para validar los resultados a través del modelado térmico detallado, cuantificando las cargas de calor y los parámetros de resistencia térmica para garantizar una evaluación de rendimiento precisa en condiciones del mundo real.
Los resultados fueron sorprendentes: al usar materiales de ajedrez, el equipo de APL logró una mejora de casi el 100% en la eficiencia sobre los materiales termoeléctricos tradicionales a temperatura ambiente (alrededor de 80 grados Fahrenheit, o 25 ° C).
Luego tradujeron estas ganancias a nivel de material en una mejora de casi el 75% en la eficiencia a nivel de dispositivo en módulos termoeléctricos construidos con materiales de ajedrez y una mejora del 70% en la eficiencia en un sistema de refrigeración totalmente integrado, cada uno de los cuales representa una mejora significativa sobre los dispositivos termoeléctricos masivos de estado de arte.
Estas pruebas se completaron en condiciones que involucraron cantidades significativas de bombeo de calor para replicar la operación práctica.
Construido a escala
Más allá de mejorar la eficiencia, la tecnología de filmación del ajedrez utiliza notablemente menos material: solo 0.003 centímetros cúbicos, o aproximadamente el tamaño de un grano de arena, por unidad de refrigeración. Esta reducción en el material significa que los materiales termoeléctricos de APL podrían producirse en masa utilizando herramientas de producción de chips de semiconductores, impulsando la eficiencia de rentabilidad y habilitando la adopción generalizada del mercado.
“Esta tecnología de película delgada tiene el potencial de crecer desde los sistemas de refrigeración a pequeña escala hasta el soporte de grandes aplicaciones de HVAC de edificios, similar a la forma en que las baterías de iones de litio se han escalado para alimentar dispositivos tan pequeños como teléfonos móviles y tan grandes como vehículos eléctricos”, dijo VenkataSubramanian.
Además, los materiales de ajedrez se crearon utilizando un proceso bien establecido comúnmente utilizado para fabricar células solares de alta eficiencia que alimentan satélites y luces LED comerciales.
“Utilizamos la deposición de vapor químico metal-orgánico (MOCVD) para producir los materiales de ajedrez, un método bien conocido por su escalabilidad, rentabilidad y capacidad para apoyar la fabricación de grandes volúmenes”, dijo Jon Pierce, un ingeniero de investigación senior que lidera la capacidad de crecimiento de MOCVD en APL.
“MOCVD ya se usa ampliamente comercialmente, lo que lo hace ideal para ampliar la producción de materiales termoeléctricos de la película delgada del ajedrez”.
Estos materiales y dispositivos continúan siendo prometedores para una amplia gama de aplicaciones de recolección de energía y electrónica, además de los recientes avances en refrigeración. APL planea continuar asociándose con organizaciones para refinar los materiales termoeléctricos de ajedrez con un enfoque en aumentar la eficiencia para abordar la de los sistemas mecánicos convencionales.
Los esfuerzos futuros incluyen demostrar sistemas de refrigeración a mayor escala, incluidos congeladores e integración de métodos artificiales basados en inteligencia para optimizar la eficiencia energética en el enfriamiento compartimentado o distribuido en equipos de refrigeración y HVAC.
“Más allá de la refrigeración, los materiales de ajedrez también pueden convertir las diferencias de temperatura, como el calor corporal, en potencia utilizable”, dijo Jeff Maranchi, gerente del área del programa de exploración en el área de misión de investigación y desarrollo exploratorio de APL.
“Además de avanzar en los sistemas táctiles de próxima generación, prótesis e interfaces de máquinas humanas, esto abre la puerta a tecnologías escalables de recolección de energía para aplicaciones que van desde computadoras hasta naves espaciales, capacidades que no eran factibles con dispositivos termoeléctricos más antiguos más grandes”.
“El éxito de este esfuerzo de colaboración demuestra que la refrigeración de estado sólido de alta eficiencia no solo es científicamente viable sino fabricable a escala”, dijo Susan Ehrlich, gerente de comercialización de tecnología de APL.
“Esperamos tener oportunidades continuas de investigación y transferencia de tecnología con empresas mientras trabajamos para traducir estas innovaciones en aplicaciones prácticas del mundo real”.
Más información: Jake Ballard et al, los materiales termoeléctricos de película delgada nano-diseñada permiten la refrigeración práctica en estado sólido, las comunicaciones de la naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-59698-y
Proporcionado por el laboratorio de física aplicada Johns Hopkins
Cita: los termoeléctricos nano-diseñados permiten un enfriamiento escalable y sin compresor (2025, 21 de mayo) recuperado el 21 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-nano-thermoelectrics-scalable-calable-compressor.html
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