Convertir calor residual en electricitat: el repte de dissenyar un dispositiu eficient i sostenible

_{A la primera fila, d'esquerra a dreta: Marc Salleras, Joaquín Santander i Marc Aceituno. A la segona fila: Alex Rodriguez Iglesias, Llibertat Abad, Luis Fonseca e Iñigo Martin.}

Els generadors termoelèctrics són capaços de transformar diferències de temperatura en energia elèctrica. Si bé són una alternativa útil per a la generació d'energia en dispositius de baix consum, la seva fabricació depèn de matèries primeres crítiques, considerades poc sostenibles. És per això que un equip de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona del CSIC (IMB-CNM-CSIC) explora nous materials per a la fabricació de generadors que siguin sostenibles en totes les etapes del procés.

Aprofitar la calor residual de l'entorn és útil per a evitar l'ús de bateries en l'alimentació de sensors de baix consum, com, per exemple, de la Internet de les Coses (IoT). Actualment també s'utilitzen en llocs on abunda la calor residual però canviar bateries és complex, en entorns de difícil accés o agressius, com a reactors industrials, centrals elèctriques, motors, volcans o fins i tot missions espacials.

Els microgeneradors termoelèctrics es fabriquen mitjançant micro i nanotecnologies, principalment amb semiconductors. El component principal del dispositiu és el material termoelèctric, en el qual es produeix la conversió de la calor en electricitat, per la qual cosa ha de tenir unes propietats tèrmiques i elèctriques adequades. No obstant això, els materials termoelèctrics habituals per a la seva fabricació, basats en bismut i tel·luri, són escassos, tòxics i de difícil integració en sistemes miniaturitzats.

Ara, una recerca publicada en Science and Technology of Advanced Materials presenta un prototip de microgenerador termoelèctric basat en un material sostenible.

"Abordem dos reptes: la sostenibilitat i el rendiment. D'una banda, proposem substituir els materials termoelèctrics habituals per alternatives més sostenibles. De l’altra, vam demostrar que optimitzar la gestió de la calor a nivell d'arquitectura del dispositiu és tan important com millorar el material en si mateix", explica Marc Salleras, investigador de l’IMB-CNM-CSIC i autor principal de l'estudi.

Un material actiu perquè flueixi la calor

El nou microgenerador s'ha desenvolupat a la Sala Blanca de Micro i Nanofabricació de l'IMB-CNM-CSIC, una Infraestructura Científica i Tècnica Singular (ICTS) única a Espanya per a la creació de xips i sistemes derivats del silici. Com tot aquest tipus de dispositius, es parla d'un procés “capa per capa” de materials. En aquest cas, s'han emprat silici, òxid i nitrur de silici, i metalls (titani i wolframi), que són estàndard en la indústria microelectrònica; i la novetat és el "material actiu".

"Hem integrat, en col·laboració amb el centre danès DTU, capes fines d'un òxid termoelèctric, el titanat d'estronci dopat amb niobi (Nb:STO), que és abundant, sostenible i de baixa toxicitat", indica Joaquín Santander, investigador de l'IMB-CNM-CSIC i primer autor de l'estudi. A més, "hem implementat un nou sistema de gestió tèrmica mitjançant microadaptadors i dissipadors que millora considerablement el gradient tèrmic útil (en un factor 100)", agrega.

Però, com s'aconsegueix la integració d'aquest nou material? "Mitjançant el micromecanitzat de silici", afegeix Santander. "D'aquesta manera definim una membrana en la part central del xip de silici que queda suspesa i sobre ella es disposa el material termoelèctric", aclareix.

Aquest disseny constitueix el nucli del dispositiu, permetent que, en col·locar la plataforma sobre una superfície calenta, com a 175 °C (la temperatura més alta a la qual s'ha sotmès el dispositiu en aquest estudi), s'estableixi una diferència de temperatura entre la vora externa de la membrana, més calenta, i el seu centre, més fred.

"La calor flueix d'un costat a un altre travessant el material termoelèctric i el converteix en electricitat. A més, s'acobla un dissipador de calor sobre el centre de la membrana que permet aconseguir un gradient tèrmic molt major, multiplicant dràsticament l'energia extreta", explica la investigadora Llibertat Abad, també autora de la publicació.

La plataforma desenvolupada és altament versàtil i pot servir com a “banc de proves” per a avaluar gairebé qualsevol material termoelèctric en condicions reals. "Permet mesurar propietats termoelèctriques del material i, al seu torn, estudiar el seu rendiment quan s'integra en un dispositiu, tant en condicions de test, forçant una diferència de temperatura coneguda, com en condicions d'ús a partir d'una font de calor", comenta Marc Aceituno, investigador predoctoral a l’IMB-CNM. A mitjà termini, això "accelerarà el desenvolupament de fonts d'energia autònomes i sostenibles per a l'electrònica de l’IoT".

La limitació actual és que el material actiu és de naturalesa policristal·lina, per la qual cosa la conductivitat elèctrica és menor de l'esperada i limita la potència obtinguda. Al seu torn, si bé el dissipador ha permès superar barreres tèrmiques d'aquesta mena d'arquitectures, que limitaven l'aprofitament del gradient de temperatura ambiental a una petita fracció d'aquest, “el seu disseny i integració ha de millorar-se per a eliminar les pèrdues paràsites de calor detectades”, conclou.
L'equip ja està treballant a millorar les prestacions del dispositiu. En el cas del titanat d'estronci dopat amb niobi, s'ha vist que millorant la seva qualitat cristal·lina s'augmenta la conductivitat elèctrica. A més, s'han iniciat col·laboracions amb altres grups de recerca per a integrar nous materials amb potencial en les plataformes termoelèctriques. 

La publicació està signada pels esmentats Salleras, Santander, Abad i Aceituno; al costat dels investigadors de l'IMB-CNM Iñigo Martin-Fernandez, Carlos Carbonell (actualment en Glaucus Technology, els Estats Units), Alex Rodríguez-Iglesias, Laura Fuentes-Rodríguez (actualment investigadora lectora a la Universitat Rovira i Virgili), Marta Fernández-Regúlez i Luis Fonseca. Així com Aitor F. Lopeandia, de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i de l'Institut Català de Nanociencia y Nanotecnologia (ICN2); i Arindom Chatterjee i Nini Pryds, de la Universitat Tècnica de Dinamarca (DTU Energy).

_{Article de referència: Santander, J., Martin-Fernandez, I., Carbonell, C., Rodríguez-Iglesias, A., Fuentes-Rodríguez, L., Fernández-Regúlez, M., … Salleras, M. (2026). A novel approach to micro-fabricated thermoelectric generators with SrTiO3. Science and Technology of Advanced Materials, 27(1). https://doi.org/10.1080/14686996.2026.2665920}