Convertir calor residual en electricidad: el reto de diseñar un dispositivo eficiente y sostenible
Los microgeneradores termoeléctricos utilizan calor residual del entorno para alimentar dispositivos de bajo consumo. Un desarrollo del IMB-CNM propone un sistema más sostenible y eficiente que los actuales
En la primera fila, de izquierda a derecha: Marc Salleras, Joaquín Santander y Marc Aceituno. En la segunda: Alex Rodriguez Iglesias, Llibertat Abad, Luis Fonseca e Iñigo Martin.
Los generadores termoeléctricos son capaces de transformar diferencias de temperatura en energía eléctrica. Si bien son una alternativa útil para la generación de energía en dispositivos de bajo consumo, su fabricación depende de materias primas críticas, consideradas poco sostenibles. Es por eso que un equipo del Instituto de Microelectrónica de Barcelona del CSIC (IMB-CNM-CSIC) explora nuevos materiales para la fabricación de generadores que sean sostenibles en todas las etapas del proceso.
Aprovechar el calor residual del entorno es útil para evitar el uso de baterías en la alimentación de sensores de bajo consumo, como, por ejemplo, del Internet de las Cosas (IoT). Actualmente también se utilizan en lugares donde abunda el calor residual pero cambiar baterías es complejo, en entornos de difícil acceso o agresivos, como reactores industriales, centrales eléctricas, motores, volcanes o incluso misiones espaciales.
Los microgeneradores termoeléctricos se fabrican mediante micro y nanotecnologías, principalmente con semiconductores. El componente principal del dispositivo es el material termoeléctrico, en el cual se produce la conversión del calor en electricidad, para lo que debe tener unas propiedades térmicas y eléctricas adecuadas. Sin embargo, los materiales termoeléctricos habituales para su fabricación, basados en bismuto y telurio, son escasos, tóxicos y de difícil integración en sistemas miniaturizados.
"Abordamos dos retos: la sostenibilidad y el rendimiento. Por un lado, proponemos sustituir los materiales termoeléctricos habituales por alternativas más sostenibles. Por otro, demostramos que optimizar la gestión del calor a nivel de arquitectura del dispositivo es tan importante como mejorar el material en sí mismo", explica Marc Salleras, investigador del IMB-CNM-CSIC y autor principal del estudio.
Un material activo para que fluya el calor
El nuevo microgenerador se ha desarrollado en la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del IMB-CNM-CSIC, una Infraestructura Científica y Técnica Singular (ICTS) única en España para la creación de chips y sistemas derivados del silicio. Como todo este tipo de dispositivos, se habla de un proceso “capa por capa” de materiales. En este caso, se han empleado silicio, óxido y nitruro de silicio, y metales (titanio y wolframio), que son estándar en la industria microelectrónica; y la novedad es el "material activo".
"Hemos integrado, en colaboración con el centro danés DTU, capas finas de un óxido termoeléctrico, el titanato de estroncio dopado con niobio (Nb:STO), que es abundante, sostenible y de baja toxicidad", indica Joaquín Santander, investigador del IMB-CNM-CSIC y primer autor del estudio. Además, "hemos implementado un novedoso sistema de gestión térmica mediante microadaptadores y disipadores que mejora considerablemente el gradiente térmico útil (en un factor 100)", agrega.
Pero, ¿cómo se consigue la integración de este nuevo material? "Mediante el micromecanizado de silicio", añade Santander. "De esta forma definimos una membrana en la parte central del chip de silicio que queda suspendida y sobre ella se dispone el material termoeléctrico", aclara.
Este diseño constituye el núcleo del dispositivo, permitiendo que, al colocar la plataforma sobre una superficie caliente, como a 175 °C (la temperatura más alta a la que se ha sometido el dispositivo en este estudio), se establezca una diferencia de temperatura entre el borde externo de la membrana, más caliente, y su centro, más frío.
"El calor fluye de un lado a otro atravesando el material termoeléctrico y lo convierte en electricidad. Además, se acopla un disipador de calor sobre el centro de la membrana que permite conseguir un gradiente térmico mucho mayor, multiplicando drásticamente la energía extraída", explica la investigadora Llibertat Abad, también autora de la publicación.
El componente principal de los microgeneradores termoeléctricos es el material termoeléctrico, en el cual se produce la conversión del calor en electricidad, para lo que debe tener unas propiedades térmicas y eléctricas adecuadas. Sin embargo, los utilizados habitualmente en su fabricación son escasos, tóxicos y de difícil integración en sistemas miniaturizados. Esta publicación del IMB-CNM presenta un prototipo que aborda los dos retos principales: sustituir los materiales termoeléctricos por alternativas más sostenibles y mejorar el rendimiento en la gestión del calor.
La investigación continúa: próximos pasos
La plataforma desarrollada es altamente versátil y puede servir como “banco de pruebas” para evaluar casi cualquier material termoeléctrico en condiciones reales. "Permite medir propiedades termoeléctricas del material y, a su vez, estudiar su rendimiento cuando se integra en un dispositivo, tanto en condiciones de test, forzando una diferencia de temperatura conocida, como en condiciones de uso a partir de una fuente de calor", comenta Marc Aceituno, investigador predoctoral en el IMB-CNM. A medio plazo, esto "acelerará el desarrollo de fuentes de energía autónomas y sostenibles para la electrónica del IoT".
La limitación actual es que el material activo es de naturaleza policristalina, por lo que la conductividad eléctrica es menor de la esperada y limita la potencia obtenida. A su vez, si bien el disipador ha permitido superar barreras térmicas de este tipo de arquitecturas, que limitaban el aprovechamiento del gradiente de temperatura ambiental a una pequeña fracción del mismo, “su diseño e integración debe mejorarse para eliminar las pérdidas parásitas de calor detectadas”, concluye.
El equipo ya está trabajando en mejorar las prestaciones del dispositivo. En el caso del titanato de estroncio dopado con niobio, se ha visto que mejorando su calidad cristalina se aumenta la conductividad eléctrica. Además, se han iniciado colaboraciones con otros grupos de investigación para integrar nuevos materiales con potencial en las plataformas termoeléctricas.
La publicación está firmada por los mencionados Salleras, Santander, Abad y Aceituno; junto a los investigadores del IMB-CNM Iñigo Martin-Fernandez, Carlos Carbonell (actualmente en Glaucus Technology, Estados Unidos), Alex Rodríguez-Iglesias, Laura Fuentes-Rodríguez (actualmente investigadora lectora en la Universidad Rovira i Virgili), Marta Fernández-Regúlez y Luis Fonseca. Así como Aitor F. Lopeandia, de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) y del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2); y Arindom Chatterjee y Nini Pryds, de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU Energy).
Artículo de referencia: 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
