Un tratamiento del filamento de las bombillas corrientes hace que éstas sean mucho más eficientes.
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¿Ha sustituido ya las bombillas tradicionales de su casa por lámparas fluorescentes? No le faltan razones, las bombillas de incandescencia son terriblemente ineficientes, la mayor parte de la energía que consumen se escapa en forma de calor que no ilumina. Si todos usáramos este tipo de iluminación evitaríamos la emisión de miles de toneladas de dióxido de carbono debido a los procesos de producción de energía eléctrica que usan combustibles fósiles. Pero la luz de una bombilla es más agradable y cálida que la de un fluorescentes y el encendido es instantáneo. Además los fluorescentes contienen mercurio, metal tóxico que contamina las aguas del planeta. Así por ejemplo el atún que usted consume contiene ese metal y afecta su sistema nervioso.
No estaría mal que las bombillas incandescentes incrementaran su eficiencia. Ahora un grupo de científicos de University of Rochester ha desarrollado un sistema mediante el cual se puede doblar el rendimiento de este tipo de bombillas. Consiste en un tratamiento previo con láser del filamento de wolframio de las mismas.
Este proceso crea una una superficie nanoestructurada sobre el filamento que hace que éste sea mucho más negro que el habitual. Según la ley de Kirchhoff la emisión de un objeto en equilibrio térmico es proporcional a su absorción. Anatoliy Vorobeyv y Chunlei Guo pensaron que si podían “ennegrecer” el filamento lo suficiente aumentaría la emisión del mismo cuando éste se calentase.
Previamente ya habían estudiado cómo los láseres ultrarrápidos afectaban a la superficie de los metales. Así que, a través del vidrio de la ampolla, aplicaron un haz láser directamente sobre el filamento de una bombilla corriente, alterando una pequeña región de éste. Cuando encendieron la bombilla comprobaron que la región tratada era mucho más brillante que el resto.
El láser empleado era un láser pulsado de femtosegundo de alta potencia. Para hacerse una idea de lo corto que son sus pulsos piense que un femtosegundo es a un segundo lo que un segundo es a 32 millones de años. Durante ese tiempo el láser libera tanta potencia como todo el sistema eléctrico de EEUU (no confundir potencia con energía, este láser puede alimentarse con un enchufe corriente) sobre un área equivalente a la punta de un alfiler. Esta liberación súbita de energía sobre ese área tan pequeña hace que la superficie del metal se altere, creándose formaciones de micro y nanoestructuras, lo que se traduce en la obtención de una superficie extraordinariamente negra, capaz de absorber casi toda la luz que le llega. Como resultado el filamento es muy eficiente emitiendo luz cuando se calienta al paso de la corriente eléctrica.
Los pulsos en este caso son de 65 femtosegundos, de una longitud de onda de 800nm y se dan a frecuencia de repetición (no confundir con la frecuencia propia de la onda luminosa) de 1kHz.
El número de pulsos no afectaban linealmente la emisión del filamento. Comprobaron que un tratamiento de 500 pulsos producía un gran incremento en el rendimiento, pero 4000 pulsos sólo lo aumentaba levemente. La emisión obtenida dependía además de la longitud de onda estudiada. A 400 nm el aumento era de un 25%, pero a 800nm era del 55%. Lo malo es que parte de la emisión sigue cayendo en el infrarrojo, que es una parte del espectro que el ojo humano no ve.
Las imágenes de microscopía electrónica de barrido muestran que la superficie del wolframio tratada adopta una estructura periódica de nanoestructuras. Los investigadores creen que estas nanoestructuras aumentan los plasmones superficiales térmicamente excitados que se acoplan a la emisión electromagnética del espacio vacío, aumentando así la emisión de luz.
Este tipo de tratamiento fue utilizado por estos investigadores el año pasado para cambiar el color de casi cualquier metal, obteniendo versiones azules, doradas y grises de ellos. Esto lo conseguían produciendo microestructuras superficiales de distintos tamaños promedios para cada uno de esos colores. Utilizando esta misma técnica pueden “sintonizar” la luz que emite un filamento de bombilla al calentarse. Ya pueden, por ejemplo, hacer que un metal emita una luz más azul al calentarse. Como el wolframio normalmente irradia una luz amarillenta, este tipo de tratamiento puede conseguir que emita una luz más blanca similar a la solar.
Incluso han conseguido que el filamento emita luz parcialmente polarizada, cosa anteriormente imposible sin la utilización de filtros. Este resultado lo consiguen creado microestructuras dispuestas en forma de filas paralelas.
Al final puede que a la tradicional bombilla le quede más tiempo que el que creemos.
Fuentes y referencias:
A. Y. Vorobyev, V. S. Makin, and Chunlei Guo. Dramatic increase in emission efficiency of incandescent light sources. Physical Review Letters, 2009; (accepted)
Nota de prensa. [1]
Noticia en Physicsworld. [2]
Ilustración: «Blue Bulb» por loomitz, vía Flickr.