La reducción de la fuga de calor mejora el dispositivo de salud portátil

Los ingenieros de la Universidad Estatal de Carolina del Norte continúan mejorando la eficiencia de un dispositivo flexible que se usa en la muñeca y que recolecta energía térmica del cuerpo humano para controlar la salud.

Los investigadores informan mejoras significativas en la prevención de fugas de calor en el recolector de calor corporal flexible que informaron por primera vez en 2017 y actualizaron en 2020. Los recolectores utilizan energía térmica del cuerpo humano para impulsar tecnologías portátiles:piense en relojes inteligentes que miden su frecuencia cardíaca, sangre oxígeno, glucosa y otros parámetros de salud, que nunca necesitan recargar sus baterías. La tecnología se basa en los mismos principios que rigen las cosechadoras termoeléctricas rígidas que convierten el calor en energía eléctrica.

Los recolectores flexibles que se adaptan al cuerpo humano son muy deseados para su uso con tecnologías portátiles. Mehmet Ozturk, profesor de ingeniería eléctrica e informática de NC State, mencionó el contacto superior de la piel con dispositivos flexibles, así como las consideraciones ergonómicas y de comodidad para el usuario del dispositivo, como las razones principales detrás de la construcción de generadores termoeléctricos flexibles o TEG.

Sin embargo, históricamente, el rendimiento y la eficiencia de las cosechadoras flexibles van muy por detrás de los dispositivos rígidos, que han sido superiores en su capacidad para convertir el calor corporal en energía utilizable.

La prueba de concepto que TEG informó originalmente en 2017 empleó elementos semiconductores que se conectaron eléctricamente en serie mediante interconexiones de metal líquido hechas de EGaIn, una aleación no tóxica de galio e indio. EGaIn proporcionó tanto conductividad eléctrica como metal y capacidad de estiramiento. Todo el dispositivo estaba incrustado en un elastómero de silicona estirable.

El dispositivo actualizado informado en 2020 empleó la misma arquitectura pero mejoró significativamente la ingeniería térmica de la versión anterior, al tiempo que aumentó la densidad de los elementos semiconductores responsables de convertir el calor en electricidad. Una de las mejoras fue un elastómero de silicona de alta conductividad térmica, esencialmente un tipo de caucho, que encapsuló las interconexiones EGaIn.

La iteración más reciente agrega hojuelas de aerogel al elastómero de silicona para reducir la conductividad térmica del elastómero. Los resultados experimentales mostraron que esta innovación redujo a la mitad la fuga de calor a través del elastómero.

"La adición de aerogel evita que el calor se filtre entre las 'patas' termoeléctricas del dispositivo", dijo Ozturk. "Cuanto mayor sea la fuga de calor, menor será la temperatura que se desarrolla en todo el dispositivo, lo que se traduce en una menor potencia de salida".

"El dispositivo flexible del que se informa en este documento está funcionando un orden de magnitud mejor que el dispositivo que informamos en 2017 y continúa acercándose al rendimiento de los dispositivos rígidos", agregó.

Ozturk dijo que una de las fortalezas de la tecnología patentada por NC State es que emplea los mismos elementos semiconductores utilizados en dispositivos rígidos perfeccionados después de décadas de investigación. El enfoque también brinda una oportunidad de bajo costo a los fabricantes de módulos termoeléctricos rígidos existentes para ingresar al mercado termoeléctrico flexible.

Agregó que su laboratorio continuará enfocándose en mejorar la eficiencia de estos dispositivos flexibles.