NeoFronteras

Antenas de nanotubos para energía solar

Área: Medio ambiente,Tecnología — jueves, 1 de octubre de 2015

Usando nanotubos de carbono como antenas consiguen convertir la luz en electricidad.

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Una antena de radio convierte parte de la energía que le llega en forma de ondas electromagnéticas en electricidad.
Básicamente, la onda electromagnética produce una oscilación de las cargas (electrones) de un material. Es esa pequeña corriente la que es amplificada hasta, por ejemplo conseguir escuchar en la radio un tema de Art Pepper, por ejemplo. En principio se trata de corriente alternar, cosa lógica si lo que se trata es de reproducir voz o música.
La antena no puede tener un tamaño inferior a la longitud de onda de la frecuencia empleada. Lo ideal es que sea un tamaño similar para que resuene con la onda incidente.
Cuanto más corta sea esa longitud de onda y, por tanto, mayor sea su frecuencia más energía portará la onda electromagnética.
Las ondas de radio, las del microondas, la luz infrarroja, la luz visible o los rayos X y gamma son ondas electromagnéticas. Sin embargo, sólo utilizamos antenas para las dos primeras. Pero sería interesante poder hacer lo mismo en el visible y así obtener energía de la luz solar, pues es muy energética. No se hace porque la antena tiene que ser del orden de la longitud de onda y, además, la electrónica tiene que trabajar a mayor frecuencia o igual que la frecuencia de la onda recibida, porque, de otro modo, no puede rectificar la señal y tendríamos una corriente alternar de alta frecuencia que no podríamos usar como energía eléctrica.
Este tipo de antenas sí se han usado desde los años sesenta para operar hasta longitudes de onda del entorno a la micra, pero llegar a longitudes de onda menores no es sencillo.
Podríamos pensar que no debe ser difícil usar una antena para luz visible, pero los números implicados son un tanto difíciles de asumir, pues hablamos de longitudes de ondas comprendidas entre 7,8×10−7 m y 3,8×10−7 m y de frecuencias entre 3,84×1014 Hz y 7,89×1014 Hz. Por tanto hablamos de tamaños minúsculos del orden de los nanometros y de frecuencias fabulosamente elevadas.
Es una pena, porque si queremos usar esta idea para obtener energía de la luz solar, la parte del espectro solar que llega al suelo en mayor cantidad y energía es precisamente la gama visible.
Pese a todo, algunos equipos de investigación lo han venido intentando. La idea que hay detrás es superar con este tipo de dispositivo el escaso rendimiento que tienen las células fotovoltaicas comerciales, que puede ser del 20%, siendo el 80% restante perdido en forma de calor. Ahora, un grupo de Georgia Institute of Technology parece que lo está consiguiendo. Dicen que su rectena es capaz de recibir y rectificar luz visible hasta el Petahercio y que se podría llegar a alcanzar un rendimiento del 40% con facilidad. Además, el sistema funciona sin necesidad de refrigeración, pues opera desde los 5 a los 77 grados centígrados.

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El dispositivo usa antenas realmente diminutas hechas de nanotubos de carbono. Estos nanotubos forman un apretado bosque que capta la luz visible. Incluso puede ser rediseñado para operar en el infrarrojo y así convertir calor residual en electricidad. Son precisamente los nanotubos los que hacen las veces de estructura lo suficientemente pequeñas como para actuar de antenas. Cada uno capta una pequeña corriente, pero al haber miles de millones de ellos en la superficie al final se consigue una corriente eléctrica útil.
De momento, el rendimiento del dispositivo es muy pequeño, del orden del 1%, pero los investigadores esperan que se pueda mejorar y que en un año se pueda usar comercialmente. La gran ventaja es que el coste de este tipo de dispositivo es 10 veces menor que el de las células fotovoltaicas convencionales y que se pueda llegar a tener un 40% de rendimiento.

El bosque de nanotubos se hace crecer verticalmente sobre un substrato conductor. Usando deposición química al vapor se recubren los nanotubos con óxido de aluminio para aislarlos eléctricamente. Finalmente, usando esta misma técnica, se deposita una capa de calcio transparente que protege el sistema.
El calcio y los nanotubos operan de tal modo que se proporciona un potencial eléctrico de 2 voltios, que es suficiente como para empujar los electrones desde el nanotubo cuando son excitados por la luz incidente.
Además, se trata de una unión de tipo metal-aislante-metal que hace las veces de diodo rectificador capaz de operar a intervalos de femtosegundos. La capacidad eléctrica es de sólo unos pocos attofaradios y permite que el sistema trabaje a frecuencias muy altas y convierta luz en electricidad. Básicamente se tiene la antena y el circuito rectificador todo en uno.
Aunque de momento el substrato es rígido nada impide usar un substrato flexible que permita paneles solares que se puedan adaptar a distintas formas.
El prototipo es, de momento, sólo una prueba de concepto. Los investigadores esperan reducir la resistencia en varios órdenes de magnitud mejorando la técnica de fabricación, lo que permitiría llegar a ese 40% de rendimiento.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4775

Fuentes y referencias:
Artículo original.
Fotos: Rob Felt, Thomas Bougher, Georgia Tech

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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16 Comentarios

  1. apalankator:

    Otra nueva y prometedora línea de investigación en el campo de las renovables.
    Si solo se hubiera invertido la mitad del tiempo y dinero que se ha empleado en mejorar los motores de explosión en el desarrollo de este tipo de energías, ya nos habríamos librado de la dependencia de las fuentes de energía fósil.

  2. NeoFronteras:

    LO ideal es que hubiera sido mejor que se hubiera invertido en este tipo de investigación además de en la de motores de explosión interna. Si no se hubiese hecho esto último el estado de las emisiones y de las reservas de petroleo serían mucho peores.

  3. apalankator:

    Desde la aplicación de la inyección directa para diesel en los años 90 y después en gasolina, apenas se ha mejorado en eficiencia de estos motores, si ha habido mejoras de consumos ha sido en gran parte debido a la reducción de peso y mejora de la aerodinámica. Y se ha invertido una fortuna en hacer desaparecer los óxidos de nitrógeno y las partículas que producen estas combustiones para adaptarse a las normas medioambientales.
    Los consumos ridículos que aparecen en los catálogos son falsos, y debido a que los fabricantes hacen automóviles que dan bajos consumos en las pruebas de homologación y no en tráfico real.
    A grosso modo el funcionamiento de estos motores es parecido al de la lámpara de incandescencia (que produce calor y secundariamente luz), produciendo explosión, calor y sonido primariamente y transforma lo que puede en movimiento con un rendimiento ínfimo, porque la termodinámica es implacable.
    En definitiva, una tecnología del siglo XIX con un estrechísimo margen de mejora desde hace 20 años(como prueba no ha sido superado el consumo del Audi A2 de 1999) que no merece desde entonces distraer los recursos de empresas y gobiernos que deberían emplear en otra tecnología que los sustituya.
    Saludos.

  4. tomás:

    Solución: un motor que funcione con agua. El agua tiene el hidrogeno y el oxígeno necesarios y suficientes. ¡Que lástima que se precise tanta energía para romper la molécula! Pero el Sol nos proporciona toda la que precisemos y aún más (de momento). Habría que pensar un modo de que al inyectar agua pulverizada se rompiera la molécula. O romperla en el inyector; o antes para separar los dos elementos y que llegasen cada uno por su lado. Aparte de eso habría que pensar en un depósito que almacene la energía precisa para romper la molécula. Esto para vehículos. Si es para una industria ese depósito no es tan preciso.
    Siendo diferente su electronegatividad (aproximadamente en un tercio) -preferiría muchísimo más- podría instalarse un dispositivo electropositivo que atraería con distinta fuerza a uno y otro elemento y una membrana intermedia que permitiera el paso del H pero no del O, que es mayor. Ya, ya sé; me dejo muchas cosas. ¿Y aumentar mucho la temperatura del agua para realizar una electrolisis?
    Bueno. Esto son como flases que me llegan a la mente y no se qué hacer con ellos.
    Pues ahí quedan por si hay algo aprovechable, lo que no creo.

  5. apalankator:

    Se me ocurre producir electricidad con renovables y disociar la molécula de agua mediante electrólisis, vender el O2 que siempre hay quien lo quiera y almacenar el H2 como combustible. Se podría hacer una central tipo pila de combustible enorme para producir electricidad a demanda.
    Amigo Tomás a mí me pasa lo mismo con los flashes, la mayor parte de mis ocurrencias son una chorrada, pero hay alguna buena y las cuento todas.

  6. tomás:

    Vale. Pero lo tuyo es mucho más posible; no es una chorrada. Casi diría que está muy admitido como un futurible próximo.
    De todas maneras por diferir en algo, lo hago en que el plural del “flas” español es “flases”, tal como es regla en los anglicanismos terminados en “sh” y como se recomienda en el “Diccionario panhispánico de dudas”, aunque, ciertamente, reconozco que en su uso internacional, parece general respetar el plural inglés.
    Un abrazo.

  7. apalankator:

    Muchas gracias por tu aprobación.
    Cuando se sumerge hierro en agua y se oxida, ¿de dónde sale el oxígeno, de la molécula H2O o del O2 disuelto?. Si fuera de que se rompe el H2O, el hierro es muy barato y se podría reciclar.
    ¿No se rompería la molécula de H2O con un campo magnético fuerte y disminuyendo bruscamente la presión?.
    Mi reino por un laboratorio.
    Los plurales de los barbarismos los escribo a cálculo, nunca me aprendí las normas.
    Un saludo.

  8. tomás:

    Querido amigo, colega de laboratorio -en mi caso la cocina-: Yo apostaría por que es el oxígeno disuelto. Si calentamos el agua para expulsar el aire, y con él, su oxígeno disuelto, metemos un trozo de hierro y echamos aceite que cubrirá la superficie, prácticamente no quedará oxígeno disuelto y el hierro no se oxidará. Eso lo hice, algo así como durante un año, hasta el punto que lo tenía olvidado. Pero, todo hay que decirlo, no conocí la clase de hierro. No sé si era hierro dulce que sería el más aconsejable; casi diría que no; pero si no es inoxidable no pienso que afectara significativamente.
    El experimento que propones no tengo ni idea de si sería capaz de extraer el oxígeno.
    En cuanto a las reglas de la ortografía, no creas que me agrada gran cosa la RAE. Muchas veces pienso que la gozan haciendo excepciones. Incluso, a veces, en la misma “Ortografía de la lengua española” parece que se contradicen. Por ejemplo, en una relación de frases inconexas, es decir, que no pertenecen al mismo discurso, las separan con un (;) y luego siguen, -claro, porque no tienen que ver una con otra- con mayúscula. Pero el (;) y la (,) se llevan poca diferencia, por lo que también podrían haber elegido esta. ¿No sería mejor usa una barra inclinada como separación y así no excepcionar “siempre minúscula tras el (;)”? Y en lo de barbarismos, lo de “güisqui” me trae mártir. Dan como aceptadas “güisqui” y “whisky”, cuando, en la primera hay que tragarse un montón de cambios y en la segunda aceptar una “h” en un lugar impropio del español. ¡Con lo fácil que sería aceptar “wiski”, sin más! ¿Es que nos son ajenas la “w” y la “k”?
    Me parecen catastróficos estos miembros de la RAE. Creo que una de sus principales misiones sería la de simplificar todo lo posible el idioma, para que la grafía se pareciese lo más posible a la pronunciación, con lo que sería más democrática, más accesible. Y lo mismo para las cacofonías. Y los problemas de la “g” y la “j”.
    Lo dejo porque podría hacerse un libro de incongruencias de su labor.
    Un abrazo nada académico, pero muy experimental (pedestre en mi caso).

  9. NeoFronteras:

    No, el sistema ese del hierro no funcionaría. El hierro se oxida por culpa del oxígeno atmosférico que puede estar disuelto en el agua.
    Algo así se puede conseguir con sodio metálico que reacciona con el oxígeno de la molécula del agua liberando hidrógeno. Es una reacción un tanto peligrosa de todos modos, así que se ha planteado usar en su lugar magnesio o aluminio. Ya lo vimos por aquí hace 10 años.

    http://neofronteras.com/?p=290

    Pero sigue existiendo el problema de obtener la energía en primer lugar. Obtener sodios, aluminio o magnesio consume mucha energía.

  10. NeoFronteras:

    LO de la electrolisis es factible si se usa energía renovable para ello, lo malo es que es un paso que tiene un rendimiento dado y, por tanto, se pierde energía. Las leyes de la termodinámica son así de inapelables.
    Por tanto es mejor usar la energía eléctrica producida directamente.

  11. NeoFronteras:

    Lo que la RAE hizo con “sólo” o “guión” no tiene perdón, así que no lo obedezco. A lo de las tildes de los pronombres me resistí durante un tiempo.
    Los anglicismos son difíciles de incorporar debido a su gran diferencia fonética.
    En cuanto a lo de la j, g, v y b menos mal que no han metido mano todavía. Mejor que lo dejen tal y como está. De todos modos el español es una de las lenguas más fáciles de leer. El inglés, por ejemplo, es infinitamente peor. Y no digamos ya el chino.

  12. apalankator:

    Hola Neo, pues aclarado lo de la oxidación del hierro.
    La utilidad de acumular Na, Mn o Al aunque se pierda energía, es que así se puede hacer flexible el suministro eléctrico de la pila de combustible, y se pueda adaptar a la demanda en cada momento.
    También de esta forma se puede exportar y acumular energía, porque puede haber sitios en los que haya más energía renovable disponible que consumo, como puede ser en los deshielos de los Andes o el Himalaya por ejemplo.
    Hablando de todo un poco, la RAE me parece un poco como la SGAE o el senado, un cementerio de ex glorias con una utilidad dudosa, parece que España se preocupa de preparar retiros dorados a según que colectivos.
    Saludos.

  13. tomás:

    Pero hombre, Neo, -por tu 9-:
    Ya sé que el oxígeno disuelto en el agua lo obtiene del aire. Sabes perfectamente que el oxígeno disuelto es inversamente proporcional a la temperatura. Y ya digo que calentemos el agua para que escape el aire disuelto y, claro, el oxígeno que lleva. Algo ha de quedar. Si quieres la hervimos, pero, insisto en que ha de ser mucho menor que la concentración de oxígeno que tenía antes de calentarla (pongamos hervirla).
    De acuerdo en que el método del magnesio y/o aluminio que indicas será mejor; posiblemente se lleve todo el oxígeno de la molécula de agua. Pero la pregunta de “apalank.ator” era si la oxidación del hierro se debía al oxígeno de la molécula o al disuelto. Y yo digo que al disuelto, porque el hierro no tiene la capacidad que tienen el magnesio ni el aluminio para arrancar el oxígeno de la molécula.
    Saludos desoxigenados.

  14. tomás:

    Y en lo de la RAE, no queda otra en estar de acuerdo en que el español es una de los idiomas en el que más correspondencia existe entre lo fonético y lo gráfico.
    Pero estoy de acuerdo con García Márquez en la parte que copio de lo que expresó sobre el tema: “… enterremos las haches rupestres, firmemos un tratado de límites entre la “ge” y la “jota”, y pongamos más uso de razón en los acentos escritos… Y que nuestra “b” de burro y nuestra “ve” de vaca que… siempre sobra una. También habla de admitir los extranjerismos antes de que se nos infiltren sin digerir.

    Y hay más cosas. Al igual que se trata de regular y uniformizar el español en todos los países, creo que habría de hacerse con los idiomas que derivaron del latín. Así, quizás evitásemos un “caballo” español y un “cavall” catalán, chevalier y caballero, y otras diferencias así de irrazonables.
    Y me parece muy posible, al respecto, el comentario de “apalank.ator”
    Muy irreales saludos.

  15. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    El comentario 9 era una respuesta al 7, no al 9.

    En cuanto a la ortografía, se podría hablar de la gran labor que realizan los correctores humanos en las editoriales. De otro modo escritores reconocidos demostrarían lo mal que pueden llegar a escribir.
    Lo siento pero los argumentos g, j y demás no son argumentos filológicos. Sólo en España hay varías variantes fonéticas del castellano, ¿tendría cada una su estilo de escritura? Desaparecerían en algunos casos incluso la s del plural, por no hablar del ceceo, seseo, h aspirada, etc.

    Pero ya es salirse del hilo de las nanoantenas.

  16. tomás:

    De acuerdo una vez más, pero…, pero no todo ha de ser filología. La prueba está en esas diferencias entre diversos idiomas de la misma fuente.
    Y se me olvidaba: las cacofonías, ¡qué desastre! Hay que evitarlas cuanto sea posible porque son un horror en la lectura. Aunque, en fin, me rindo a tus razones: esto tiene poco que ver con las nanoantenas.
    Un fuerte abrazo.

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