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.
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Fuentes y referencias:
Artículo original. [2]
Fotos: Rob Felt, Thomas Bougher, Georgia Tech