El arte de convertir el calor en electricidad

A veces los descubrimientos surgen a cámara lenta. No hay un momento “eureka” ni un gran anuncio, sino que varios científicos van añadiendo piezas al puzle hasta que alguien logra ver la imagen completa. Esto es lo que sucedió con el descubrimiento de la termoelectricidad, el fenómeno que relaciona las diferencias de temperatura con la electricidad.

La primera pieza del puzle surgió en 1821. Thomas Johann Seebeck era un licenciado de medicina estonio que prefirió los laboratorios de física a los hospitales. Entre los físicos de su universidad empezaba a ponerse de moda estudiar los campos magnéticos a través de pequeñas brújulas con una aguja imantada suspendida en agua. Seebeck tenía su propia brújula y, por probar, se le ocurrió soldar un alambre de cobre con uno de bismuto para comprobar si la combinación de metales generaba algún campo magnético. No funcionó, la brújula permaneció estática.

Con un suspiro, Seebeck se dispuso a separar otra vez los dos alambres para aprovecharlos en otro experimento. Estaba empezando a calentar el alambre de cobre cuando la brújula, que casualmente andaba cerca, empezó a agitar su aguja a gran velocidad. Tras hacer varias pruebas pudo comprobar dos detalles. El primero fue que el fenómeno se genera solo si se calienta uno de los dos metales y el otro permanece frio. El segundo se trataba de que la brújula se mueve más rápido cuanta más diferencia de temperatura existe entre ambos metales. Publicó sus resultados y el fenómeno fue bautizado como efecto Seebeck.

Solo hubo un pequeño detalle que Seebeck pasó por alto. En todo momento planteó que la diferencia de calor generaba un campo magnético, pero no que hubiera una corriente eléctrica. Aun no se entendía bien la relación entre electricidad y magnetismo, y no se le ocurrió comprobar que si conectaba los dos extremos del alambre obtendría una pila capaz de generar una pequeña corriente eléctrica.

La segunda pieza del puzle apareció quince años después, en 1836. Un relojero francés, Jean Peltier, dedicaba su tiempo libre a colaborar con otros científicos construyendo pequeños aparatos de precisión para ellos. Como buen relojero, estaba muy interesado en la electricidad. Era experto en perseguir tormentas y estudiar el origen de sus rayos. Su interés por la electricidad le había permitido construir una batería primitiva en su taller con la que aplicar pequeñas descargas prácticamente a cada material que le llegaba a su relojería.

En una ocasión, Peltier recibió un encargo para soldar dos pequeñas placas de metales diferentes, una soldadura similar a la de los alambres de Seebeck. No era casualidad. Tras el descubrimiento del efecto Seebeck, más químicos usaban soldaduras de metales para sus experimentos, bautizadas como bimetales.

Peltier soldó las dos placas y probó a conectar su batería como siempre, dejando que la corriente eléctrica viajara de una placa a la otra sin saber muy bien que podría suceder. Tras esperar un rato, Peltier notó que una placa comenzaba a calentarse mientras la placa contraria se enfriaba cada vez más. Curiosamente, si invertía la polaridad de su batería y dejaba que la corriente eléctrica circulara en sentido contrario, las temperaturas también se invertían. El efecto acabó siendo conocido como efecto Peltier.

Y ya está, tenemos todo lo que necesitamos. Si lo pensamos un poco, notaremos que estos dos fenómenos encajan perfectamente. En el efecto Seebeck la diferencia de temperatura genera una corriente eléctrica y en el efecto Peltier, es la corriente eléctrica la que genera una diferencia de temperatura. El problema es que ambos descubrimientos estaban alejados en el espacio y en el tiempo. El medico estonio y el relojero francés no se conocían ni habían coincidido en ninguna universidad, y los descubrimientos científicos no se propagaban tan rápido como ahora. Si alguien podía resolver este puzle, tendría que ser un científico famoso, con muchos contactos y que hubiera oído hablar de los efectos Seebeck y Peltier. Justo las características que tenía Lord Kelvin.

El lord de la temperatura

William Thomson era un físico y matemático británico conocido por desarrollar buena parte de la física moderna. Dedicó su vida a la investigación y al profesorado en la Universidad de Glasgow, en la que permaneció toda su vida, rechazando las ofertas que siempre recibía de otras universidades. Como premio por sus investigaciones, fue ennoblecido en 1892 como Lord Kelvin, tomando el nombre del rió que pasaba cerca de su laboratorio. Una de sus mayores contribuciones fueron los estudios sobre la temperatura, creando una escala propia que actualmente se conoce como grados Kelvin.

Su fama y posición en la Universidad era perfecta para enterarse de todos los cotilleos sobre el tema de la temperatura. Empezó a interesarse sobre la relación entre calor y electricidad, y rápidamente se encontró con los efectos Seebeck y Peltier. El resto es historia. Kelvin utilizó ambos efectos para calcular las ecuaciones que le permitían predecir el cambio de temperatura que generaba una corriente eléctrica y viceversa, demostrando de que ambos procesos son reversibles. Los dos efectos se unieron y pasaron a llamarse efecto Seebeck-Peltier. Acababa de nacer el campo de la termoelectricidad.

En sus experimentos, Kelvin comprobó que no era necesario ningún bimetal para activar el efecto, sino que un único metal bastaba si la diferencia de temperatura se mantenía. Con dos metales es más sencillo que con uno, porque uno de los metales se calienta a un ritmo diferente que el otro, haciendo que la diferencia de temperatura permanezca más tiempo y la corriente eléctrica pueda aparecer.

Lord Kelvin participaba en la creación de prototipos y patentes para poner en práctica los últimos descubrimientos de física, y con la termoelectricidad no iba a ser menos. Tanto el efecto Seebeck como el efecto Peltier fueron clave en el desarrollo de tecnologías que han evolucionado hasta la actualidad.

Neveras de trasplantes y cabañas en la nieve

Por ejemplo, el efecto Peltier ha permitido crear sistemas de refigeración, simplemente usando la corriente eléctrica para mantener frió uno de los dos metales. No usamos este mecanismo en las neveras domesticas ya que necesitaríamos demasiada corriente eléctrica para mantener la nevera fría, pero si que ha encontrado su camino en las pequeñas neveras de trasplantes, que necesitan mantener un frio constante sin vibraciones. También se comercializan en las neveras de minibar, bajo el nombre de nevera Peltier.

Pero el efecto Seebeck ha tenido aplicaciones mucho más interesantes. La electricidad es un bien preciado, y la idea de generarla a través del calor es tentadora. En la Unión Soviética de los años 20, todas las casas aisladas en la tundra incorporaban un cable de bimetal con un extremo conectado a la chimenea y el otro situado en el exterior. La electricidad que se obtiene del cable depende de la diferencia de temperatura, por lo que en España un sistema así no habría dado mucho juego, sin embargo en la Unión Soviética era perfecto dada sus temperaturas bajo cero. La diferencia de temperatura entre el fuego de la chimenea y el exterior generaba una corriente eléctrica suficientemente potente como para mantener la radio encendida y poder comunicarse, siempre y cuando se mantenga vivo el fuego.

Una versión moderna de la misma idea se aplica en la actualidad en las baterías de satélites y sondas espaciales. Los paneles solares tienen un buen rendimiento, pero dejan de funcionar a medida que nos alejamos del Sol. Para las sondas que enviamos a largas distancias fuera del sistema solar, se introduce unos pocos gramos de dióxido de plutonio, un material radiactivo que se desintegra generando calor. El contraste entre el frio del espacio y la temperatura del dióxido de plutonio activan un bimetal que genera electricidad suficiente para que la sonda pueda trabajar lejos de casa durante cientos de años.

Tanto en las casas soviéticas como en las sondas espaciales, estos sistemas funcionan gracias a las grandes diferencias de temperatura. Actualmente, varios equipos de investigación buscan nuevas maneras de usar la termoelectricidad, enfocados en crear nuevas combinaciones de bimetales que mantengan la diferencia térmica durante más tiempo y en rangos de temperatura menores.

Si lo logran, abriremos todo un mundo de posibilidades. Ya hay prototipos de paneles que pueden aprovechar el calor generado por el motor del coche para recargar su propia batería. También han desarrollado paneles termoeléctricos conectados a placas solares, capaces de aprovechar el calor que estas acumulan durante todo el día y generar electricidad mientras se enfrían de noche. Puede que el descubrimiento de este fenómeno haya sido lento, pero las ideas de cómo aplicarlo crecen cada vez más rápido.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Actualmente, los bimetales termoeléctricos generan muy poca corriente eléctrica, por lo que se usan en tecnologías de muy bajo consumo. Las sondas espaciales son un caso de buen funcionamiento debido a diferencias extremas de temperatura.
• Las placas termoeléctricas muchas veces aparecen combinadas con otras tecnologías de generación eléctrica, tratando de aprovechar un poco más la energía perdida en forma de calor. Un buen ejemplo son los sistemas de refrigeración de las centrales nucleares más modernas, que incluyen estas placas.
• Para rangos de temperatura pequeños aun queda mucho por hacer. La placa solar que se comenta en el artículo genera muy poca corriente, siendo solo capaz de encender un led. La ingeniería de nuevos materiales es la esperanza para conseguir bimetales mejores.

REFERENCIAS:

• Mahan, Gerald, et al. “Thermoelectric Materials: New Approaches to an Old Problem.” Physics Today, vol. 50, no. 3, American Institute of Physics Inc., Mar. 1997
• Disalvo, Francis J. “Thermoelectric Cooling and Power Generation.” Science, vol. 285, no. 5428, Science, 30 July 1999
• Matsubara, K. “Development of a High Efficient Thermoelectric Stack for a Waste Exhaust Heat Recovery of Vehicles.” International Conference on Thermoelectrics, ICT, Proceedings, vol. 2002-January, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2002