Electric Induced Cooling Effect in Printable Thermogalvanic Cells
Este artículo demuestra la viabilidad de la refrigeración de estado sólido en celdas termogalvánicas imprimibles, donde un voltaje ultrabajo impulsa reacciones electroquímicas reversibles para lograr una caída de temperatura de aproximadamente 0,1 K, ofreciendo una solución ligera y flexible para la gestión térmica en sistemas electrónicos miniaturizados.
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La mayoría de nosotros dependemos del zumbido de un compresor y la circulación de gases químicos para mantener nuestra comida fresca o nuestras casas frescas. Estos sistemas de refrigeración tradicionales funcionan bien, pero son pesados, requieren maquinaria compleja y dependen de materiales que pueden dañar el medio ambiente. Durante décadas, los científicos han buscado una alternativa más silenciosa y ligera: la refrigeración de estado sólido. Este enfoque utiliza la electricidad para mover el calor sin partes móviles ni gases nocivos. Si bien un tipo de refrigeración de estado sólido, conocido como refrigeración termoeléctrica, ya se utiliza en algunos componentes electrónicos, a menudo requiere voltajes altos y genera su propio calor residual, lo que limita su eficiencia. Otra vía prometedora implica el uso de reacciones químicas para absorber o liberar calor, un concepto que recientemente ha pasado de la teoría a la práctica en una nueva forma de dispositivo.
En un estudio reciente, investigadores de la Universidad de Linköping exploraron un tipo específico de batería química llamada celda termogalvánica para ver si podía utilizarse para la refrigeración. Estas celdas están diseñadas típicamente para recolectar energía a partir de pequeñas diferencias de temperatura, pero el equipo investigó el proceso inverso: usar una diminuta corriente eléctrica para crear una diferencia de temperatura. Al aplicar un voltaje muy bajo a un dispositivo simple y de impresión, demostraron con éxito que la electricidad podía inducir un efecto de enfriamiento. El experimento confirmó que estos dispositivos podían bajar la temperatura de un punto específico en una cantidad pequeña pero mensurable, demostiendo que es posible un nuevo método ligero para la gestión del calor en la electrónica.
Los investigadores construyeron sus dispositivos utilizando un método similar a la impresión de un documento, pero en lugar de tinta, utilizaron capas de carbono activado y una solución líquida que contiene productos químicos basados en hierro. Imprimieron estos materiales sobre finas láminas de aluminio para crear dos electrodos separados por un pequeño espacio. Cuando aplicaron una corriente continua de solo unos pocos miliamperios —mucho menos de lo que necesita una bombilla estándar— las reacciones químicas en los electrodos comenzaron a comportarse de manera diferente. En un electrodo, la reacción química absorbió calor del entorno circundante, haciendo que ese punto se enfriara. En el otro electrodo, la reacción inversa liberó calor, haciendo que este se calentara. Este proceso es impulsado por el cambio natural en el desorden, o entropía, que ocurre cuando los productos químicos cambian entre sus estados oxidados y reducidos.
Para entender qué tan bien funcionó este enfriamiento, el equipo probó dos versiones del dispositivo. Una versión tenía una sola capa de carbono impreso, mientras que la otra tenía tres capas. La diferencia en el grosor cambió la resistencia eléctrica del dispositivo, que es cuánto el material se resiste al flujo de electricidad. En el dispositivo con el electrodo de tres capas más grueso, la resistencia eléctrica era menor. Cuando los investigadores hicieron pasar una corriente por este dispositivo, el efecto de enfriamiento fue claro y constante. La temperatura en el electrodo de enfriamiento descendió aproximadamente 0.04 grados Celsius, o 40 milikelvin, a medida que aumentaba la corriente. Sin embargo, en el dispositivo con la capa única y más fina, la mayor resistencia eléctrica causó un problema diferente. A medida que la corriente fluía, la resistencia generaba su propio calor, conocido como calentamiento de Joule. Este calor no deseado rápidamente superó el efecto de enfriamiento, haciendo que el dispositivo se calentara en lugar de enfriarse una vez que la corriente se volvió demasiado alta.
El estudio reveló que el éxito de este método de enfriamiento depende enteramente de equilibrar dos fuerzas opuestas. Por un lado está el enfriamiento impulsado por la entropía, que es el efecto deseado donde la reacción química extrae el calor. Por el otro lado está el calor generado por la resistencia eléctrica de los propios materiales. Los investigadores encontraron que si la resistencia interna es demasiado alta, el calor generado por la electricidad cancela el beneficio del enfriamiento. En su mejor dispositivo, la potencia de enfriamiento alcanzó aproximadamente 1.7 milivatios, una cantidad de energía pequeña pero significativa para un sistema que opera a voltajes tan bajos. La eficiencia del dispositivo, medida por cuánto enfriamiento proporcionó por la cantidad de electricidad utilizada, alcanzó su punto máximo con un valor de 2.5 cuando la corriente se mantuvo baja. Esto significa que por cada unidad de energía introducida, el dispositivo movió 2.5 unidades de calor, una cifra respetable para un sistema de prueba de concepto.
Estos hallazgos sugieren que, si bien la tecnología aún está en sus primeras etapas, el camino a seguir está claro. El efecto de enfriamiento es real y mensurable, pero para que sea útil en aplicaciones del mundo real, los materiales deben mejorarse para reducir la resistencia eléctrica. Los investigadores señalaron que, al optimizar el grosor de las capas impresas y elegir mejores materiales, podrían minimizar el calor residual que actualmente limita el rendimiento. Debido a que estos dispositivos están hechos de materiales abundantes y no tóxicos, y pueden imprimirse sobre superficies flexibles, ofrecen un potencial único para el enfriamiento de la electrónica portátil o de sensores diminutos donde la refrigeración tradicional es imposible. El trabajo establece una base sólida para el desarrollo de enfriadores de estado sólido que sean ligeros, sostenibles y capaces de operar con la suave y de baja potencia electricidad en la que dependerán los futuros dispositivos portátiles.
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