Nomada Q : nanotecnología

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La propiedad principal que tiene que poseer las células solares que forman parte de las placas solares ya sean fotovoltaicas o termovoltaicas es su capacidad para capturar la radiación solar o fotodetección, una cualidad que determinada por el rango de sensibilidad influye en la cantidad de luz que es capaz de absorber.

Cuanta mas sensibilidad mayor producción de energía algo que con la tecnología actual y los materiales que se emplean en la fabricación de las placas solares, dista mucho de lograrse con la materia prima disponible. Circunstancia que impide se puedan desarrollar soluciones solares que se puedan adaptar a todo tipo de escenarios como por ejemplo al revestimiento de paredes en estructuras arquitectonicas con placas solares para lograr una mayor autonomía energética.

Aunque desde el sector de la construcción se ha tratado ofrecer materiales de construcción fotodetectores su repercusión en la practica ha sido muy escasa, debido principalmente a su mínimo rendimiento y mínimas garantías de durabilidad.

Una de las esperanzas mas prometedoras para que el día de mañana podamos conducir coches autónomos energéticamente gracias a la radiación obtenida del Sol. Esta puesta en el desarrollo de fotodetectores fabricados a escala manométrica, para los que existen varios candidatos aunque a los que se les confiere mayor credibilidad son los de origen bidimensional o 2D.

Materiales 2D como aumentar la potencia de los fotodetectores

Y entre ellos el conocido como disulfuro de molibdeno (MoS2). Un material que por excelente respuesta a la radiación solar podría ser el idóneo si se quiere conseguir el objetivo de obtener suficiente cantidad de energía con la que garantizar el funcionamiento de cualquier electrodoméstico o elemento que forman parte del mobiliario urbano (entre muchas otras aplicaciones). Sin tener que depender de una segunda fuente de energía.

Cualidad la de fotodeteccion que ademas se puede potenciar a escalas incluso nanometricas, como han revelado los datos del estudio publicado en Marzo de este año por la edición digital Chemical Communications, y que forman parte de una investigación realizada por un equipo de ingenieros de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y el Instituto IMDEA-Nanociencia.

Que han conseguido aumentar hasta 10.000 veces la repuesta solar de una placa solar fabricada con disulfuro de molibdeno (MoS2), el secreto de este descomunal incremento de la fotodetección y su increíble sensibilidad a la luz hay que buscarla en la capa de colorantes orgánicos con que se ha recubierto la superficie de la célula solar.

Espesor manométrico y cobertura orgánica

Cuyo espesor que no supera un nanómetro podría ser lo suficiente flexible como para poder fabricar los tejidos con los que se diseña la ropa con la que nos vestimos habitualmente. Y que según se deduce de las declaraciones del co-director del estudio Aday J. Molina-Mendoza junto a Andrés Castellanos-Gómez y Emilio M. Pérez, podría ser uno de los muchos sectores beneficiados de esta innovadora tecnologia, enfocada desde sus inicios en el objetivo de conseguir la máxima eficiencia en los procesos de obtención de energía.

Además a este incremento en la respuesta a la radiacción solar hay que añadir otra caracteristica que descubrieron en el transcurso de la investigación, y que esta relacionada con su capacidad para regular la captura de radiaccion solar en funcion de parametros medio-ambientales.

Ya que los dispositivos de captación fabricados con MoS2 y bañados con colorantes pueden modular su tasa de energía obtenida en función de las condiciones climatológicas. De esta forma si en un día nublado y frió se añade una capa de colorante orgánico se aumentara la cantidad de energía cosechada.

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Los materiales bidimensionales recubiertos con materiales orgánicos y su margen de miniaturización se confirman como la alternativa para lograr en un futuro próximo enormes cantidades de energía en un mínimo espacio.

Uno de los principales desafíos que se nos presentara cuando abordemos el desafió de terraformar un planeta de los muchos que hay en nuestra galaxia, sera lograr las condiciones óptimas por las que sea compatible nuestra presencia con su atmósfera.

Cuya composición principalmente tendrá que contener los niveles precisos de oxigeno que nos permitan respirar y por lo tanto sobrevivir garantizando nuestro provenir. Desarrolladas por Julian Melchiorri en cuyo currículum académico combina formación científica y artística, las entidades vegetales que ha creado reproduciendo a escala nanotecnolgica uno de sus principales órganos.

Como son los cloroplastos a los que añadido una proteína modificada genéticamente a la que bautizado Silk Proteine, metabolizando la luz, el CO2 y el agua independientemente de su presencia transformándolos en oxigeno, lo que supone una ventaja adaptativa al medio en el caso de que haya ausencia de alguno de estos elementos. Y que en palabras de su propio creador supone un punto de inflexión en la carrera por habitar otros planetas.

Dado que uno de los problemas que suele presentarse a la hora de poder colonizar un nuevo planeta, es que entre sus características aparte de la gravedad circunstancia que impide que los organismos de origen vegetal pueda prosperar. Es que en su tenue atmósfera carece de uno o mas elementos imprescindibles para que la vida tal como las conocemos en la tierra.

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Testadas en laboratorio en el que se han recreado diferentes escenarios, las Silk Leaf (hojas de seda) son dispositivos artificiales diseñadas por Julian que reproducen la fotosintesis que se observa de forma natural en las plantas. Adaptanse satisfactoriamente a cualquier tipo de entorno.

No es la primera vez que se intenta una tecnología basada en puntos cuánticos en la búsqueda de aplicaciones en el campo de las energías renovables mas concretamente en el de la solar fotovoltaica. Desarrolladas por el departamento de Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) perteneciente al MIT.

Han conseguido fabricar células solares a temperatura ambiente, y cuya tasa de eficiencia presenta una tasa de eficiencia que oscila entre un 30% y un 50%. Lo que supone una reducción de costes relativos a su fabricación aumentando los beneficios debido a su capacidad de captación.

Los paneles de silicio que respresentan la inmensa mayoría de los que a día de hoy están disponibles en el mercado a disposición del consumidor. Requieren para su elaboración de complejos procesos termo-químicos por lo que precisan ser sometidos a elevadas temperaturas para que adquieran sus cualidades fotoconductiva produciendo electrones, lo que eleva significativente sus costes.

Lo que han conseguido el equipo dirigido por el estudiante doctorado Joal Jean, es fabricar células solares a temperatura ambiente. Para eso han utilizado una placa formada por un bosque de nanocables de oxido de zinc, a la que se ha bombardeado con puntos cuánticos.

Debido a la rección producida estos puntos cuánticos son capaces de absorver un rango de luz mas amplio de la longitud de onda. Lo que provoca un aumento en la tasa de eficiencia en la producción de energía de origen solar. Mediante el uso de nanocables de óxido de zinc, han creado una célula solar que es lo suficientemente gruesa como para absorber la luz de manera eficiente, pero también lo suficientemente delgada para ser semiconductora.

El uso de un proceso de crecimiento ascendente con el objetivo de cultivar los nanocables y la infiltración con puntos cuánticos plomo-sulfuro produce un aumento del 50 por ciento en la corriente generada por la celda solar, y un aumento del 35 por ciento en la eficiencia general.

Publicado en la edición en linea de Advanced Materials, en la edición de Mayo de este año. Desde entonces ahora cuando diferentes compañias han mostrado su interés por desarrollar un prototipo basado en puntos cuánticos que se pueda fabricar a escala industrial.

A una de las condiciones a las que se esta prestando mas atención ultimamente, es a los elevados índices acústicos que se produce en el ámbito urbano de las grandes ciudades. Quizás esta atención tenga que ver con cada vez mas estudios científicos ponen de manifiesto el vinculo que existe entre los elevados índices de ruidos y diferentes conductas y trastornos psico-emocionales.

Reflexionando sobre esta situación y sus posibles el doctor Steve Dunn, Profesor de materiales a nanoescala de la Escuela de Ingeniería y Materiales de Queen Mary en Londres. Ha estado trabajando en el desarrollo de prototipos capaces de absorver las frecuencias de sonido emitidas con el objetivo de generar energía limpia.

Con la intención de aplicación a la fabricación de obleas solares. Estos innovadores materiales capaces de cosechar los ruidos, son producto de la aleaciones de millones de filamentos microscópicos (nanorods) a base de óxido de zinc, luego cubierto con un polímero activo para formar un dispositivo que convierte la luz solar en electricidad.

Usando las propiedades especiales del material de óxido de zinc, el equipo fue capaz de demostrar que los niveles de ruido tan bajos como 75 decibelios (equivalente al ruido que produce la circulación en carretera o una impresora en una oficina) podría mejorar significativamente el rendimiento de la célula solar.

Pero lo mas curioso de este experimento es que para obtener tasas de eficiencia de hasta un 40%, las placas solares orientadas al sol en horario de máxima de exposición. Fueron sometidas a la emisión de las frecuencias de composiciones de Rock y Pop que debido a sus características sonoras, emitían la suficiente cantidad de vibraciones con las que complementar energeticamente a la producida a partir de los fotones solares.

Previamente se había demostrado que la aplicación de presión o tensión de los materiales de óxido de zinc puede producir energía a partir de un efecto piezoeléctrico. Las ondas sonoras, producen fluctuaciones aleatorias, anulándose entre sí siendo el mecanismo por el que se produce energía.

Esta tecnología híbrida podría representar según sus creadores una solución para absorber la mayor parte de frecuencias producidas por los numerosos ruidos, por los que nos sentimos cohibidos llegando alterar la percepción que tenemos de la realidad que nos rodea. Siendo un método eficaz para su eliminación y viabilidad económica.

Existen diferente formas de capturar los fotones de luz que emite el solo e impactan sobre la superficie de la tierra reflejandose. Generalmente se suelen utilizar espejos fabricados de silicio monocristalinos o policristalinos, además de otras superficies reflectantes o materiales de alta tecnología como los cristales fotónicos.

A pesar de las mejoras realizadas en su composición y en su forma de actuar, la mayor parte del rango de luz se diluye cuando se refleja, presentando tasas de eficiencia muy bajas que oscilan entre el 15 y 25 por ciento, lo que provoca que la producción de energía de origen todavía posea un amplio margen de mejora y un aliciente desde el punto de vista tecnológico.

Dirigidos por el profesor de física Marin Soljačić perteneciente al departamento de electromagnetismo y fotónica del MIT, acaban de anunciar lo que han denominado como el espejo perfecto, cuya superficie posee la capacidad de reflejar el 100% de las ondas luz, además de las de sonido y las producidas, evitando cualquier mínima distorsión.

Este avance mejorar enormemente la calidad de la tecnología que se emplea para la fabricación de los helióstatos instalados, en las plantas de concentración solar. Un modelo de explotación solar que viene experimentado un auge muy importante en los últimos, por el gran potencial de evolución que presenta.

En principio Marin y su equipo no tenían como objetivo encontrar mejoras en las propiedades en la absorción de luz por parte de los cristales. El equipo estaba estudiando el comportamiento de un cristal fotónico - en este caso, una oblea de silicio con una capa nanoestructurada de nitruro de silicio, perforada en la parte superior formando una celosía.

Estos orificios son tan pequeños que sólo pueden dar cabida a una sola onda de luz. En la mayoría de los ángulos, la luz fue parcialmente absorbida por el cristal fotónico, como se esperaba, pero con una longitud de onda específica de luz roja, con un ángulo de treinta y cinco grados, provocando que la luz se reflejara a la perfección. Cada fotón que fue emitido por la fuente de luz roja se recuperó perfectamente evitando su absorción o dispersión.

Estos esperanzadores resultados son muy significativos, porque representan un nuevo modelo de espejo que en principio presenta una reflectividad perfecta. El hallazgo cuestiona lo que hasta ahora se creía de que las superficies fabricadas por cristal fotónico, obedecían a las leyes usuales de la refracción y la reflexión, pero en este caso no lo hacen.

Los anales solares existentes hoy en día en el mercado, están limitadas al menos del 20% de eficiencia en la conversión de luz solar en electricidad, y por lo general existe una correlación entre el aumento de eficiencia y el coste económico. Esta baja tasa se debe de eficiencia es debido a que los semiconductores presentan una limitación material que le impide captura todo el espectro de luz que se emite.

Dirigidos por el ingeniero André D Taylor un equipo de investigadores pertenecientes al Yale Climate & Energy Institute, ha logrado aumentar un 38% la eficiencia energética emplean un colorante orgánico fluorescente a las celdas fotovoltaicas, absorbiendo y convirtiendo la luz en energía reduciendo los costes de producción.

Este colorante conocido como escuaraína aumenta la absorción de luz y recicla los electrones, mejorando de la conversión de la luz en energía. Los resultados sugieren una nueva vía para el desarrollo de una nueva generación de células solares de bajo costo

Publicado en la edición de Nature Photonics este estudio revela un nuevo enfoque inexplorado. Las células solares son una tecnología que convierte directamente la luz en electricidad. Fabricadas utilizando diferentes polímeros basados en silicio, son atractivos por su bajo costo, peso, área, y flexibilidad mecánica.

Pero son ineficientes perdiéndose la mayor parte de la energía principalmente debido a que sus redes de polímeros no están suficientemente alineadas como para permitir que la energía sea aprovechas. Basado en el mecanismo bioquímico de Förster de transferencia de energía de resonancia (FRET), los investigadores lograron un aumento del 38 por ciento en la eficiencia de conversión de energía.

Basadas en heterounión este polímero es capaz de migrar de una molécula a otra a través de largas distancias. El medio de contraste, que es altamente absorbente en la región del infrarrojo, amplíando el espectro de absorción de las células solares y mejora la transmisión de electricidad.

Esta tecnología permite a los diferentes materiales que absorben la luz para trabajar en sinergia dando lugar a redes de polímeros bien ordenadas, sin necesidad de post-procesamiento, en comparación con las células solares de polímeros tradicionales.

Esta estrategia resuelve varios problemas al mismo tiempo. Al combinar estratégicamente diferentes materiales que han sido utilizados con éxito para absorber energía solar, obteniendo tasas de alto rendimiento sin aumentar el coste de su producción.

Las células solares se han convertido la manera más respetuosa con el medio ambiente para el aprovechamiento de energía y generar electricidad sin emisiones. Sin embargo, la fabricación de placas solares representan la paradoja de ser bastante anti-ecológica suponiendo un excesivo consumo de recursos hidráulicos y materias primas.

Dirigido por el doctor en ingeniería Bernard Kippelen un equipo de investigadores que trabajan actualmente en el Centro de Fotónica y Electrónica Orgánica en Georgia Tech en colaboración con la Universidad de Purdue afirman haber desarrollado células solares a partir de materiales vegetales.

En la actualidad el tratamiento de los residuos que producen la sustitución de las placas solares obsoletas por otras mas eficientes y avanzadas tecnologicamente, supone un desproporcionado impacto ecológico debido a que los materiales con los que están fabricados los componentes de las placas solares son muy dificiles de reciclar.

Utilizando los mismos sustratos orgánicos básicos que usan las plantas para el proceso químico que facilita la fotosíntesis, las nuevas células solares orgánicas convierten alrededor de 2,7% de la energía solar que reciben en electricidad. El número es bastante impresionante si tenemos en cuenta que se tratan de materiales químicamente orgánicos.

Una estructura fácilmente biodegradable llamada nanocristales de celulosa se utiliza para montar estos sustratos orgánicos que permiten que las células solares puedan ser recicladas usando nada más que agua caliente en su tratamiento. El equipo de investigación conjunta ha creado así una forma más respetuosa del medio ambiente para crear y reciclar la tecnología que se utiliza para proporcionar energía verde.

El equipo ahora está trabajando en tratar de obtener estos sustratos orgánicos para convertir la energía solar de manera más eficiente y, llegando a los dos dígitos de eficiencia de conversión energética en un plazo razonable. El grupo planea lograrlo mediante la optimización de las propiedades ópticas del electrodo, recubriendo estas células con una capa delgada con el propósito de proteger las células contra el agua y el oxígeno al que están expuestas.

Actualmente en el mercado se pueden encontrar para consumo domestico células solares con una eficiencia que oscila entre el 20% y el 25%, fabricadas en su mayoría con arseniuro de galio o silicio ya sean policristalinas o monocristalinas, tasas de absorción realmente bajas que impide que la tecnología se implante masivamente.

Los fabricantes son conscientes de que el reto para que la tecnología solar pase de ser una alternativa a los combustibles fosiles, a convertirse definitivamente en la piedra angular que sustituya la dependencia de los derivados del petroleo, pasa por desarrollar polimeros con los que fabricar celdas solares que aprovechen lo máximo posible el rango de luz emitido por el espectro solar.

Entre las diferentes propuestas para corregir este déficit y tras varios lustros de investigaciones infructuosas, la aparición en escena del grafeno parece que puede propiciar nuevos e importantes avances en el aumento de captación de radiación solar y por tanto en la producción de energía solar.

El equipo del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Barcelona España, dirigido por ingeniero Frank Koppens ha demostrado que el grafeno podría resultar mucho más eficaz a la hora de transformar la luz en energía. En el estudio se observo que a diferencia de silicio, que genera sólo una corriente de electrones de conducción para cada fotón que absorbe, el grafeno puede producir múltiples electrones.

Aunque la aplicación del grafeno en las células solares es sólo teórico, el potencial indica el estudio es notable, las células solares hechas con grafeno han alcanzado hasta 60% de eficiencia, mas de el doble de la máxima eficiencia obtenido con las células actuales.

Publicado en el ultimo numero de Nature Physics este nuevo nuevo estudio muestra un "concepto muy importante", ya que los dispositivos futuros dependerán de la comprensión de los procesos físicos que se producen cuando el grafeno absorbe la luz.

Aunque por el momento los resultados de este estudio se podrían aplicar al desarrollo de sensores de imagen para cámaras, sensores médicos, y óptica de visión nocturna. El grafeno debido a sus característica posee propiedades ópticas como material fotovoltaico.

Pudiendo trabajar con cualquier longitud de onda posible, no existiendo ningún otro material en el mundo con este comportamiento, además de ser flexible, robusto y relativamente, es sencillo de integrar con otros materiales.

Las algas son considerada una fuente futura de combustible, debido a su alta concentración de lípidos. Por los que los científicos lo han estudiado como una alternativa a los combustibles fosiles, que durante décadas ha sido el ingrediente clave en la producción de biodiesel.

Sin embargo presenta un problema, casi tres cuartas partes de la luz del sol energía absorbida por las algas se pierde antes de convertirse en los azúcares o almidones utilizados para producir biocarburantes.

En 2010, los científicos de la Universidad de Yonsei y la Universidad de Stanford fueron pioneros en el desarrollo de una técnica que mediante la actividad de electrones en las células de las algas individuales. La fotosíntesis excitan los electrones, los cuales pueden ser convertidos en una corriente eléctrica utilizando un nanoelectrodo de oro especialmente diseñado.

Inspirado por este estudio el diseñador Miki Thompson ha ideado la lampara Latro (del latín ladrón) que incorpora el potencial de la energía natural de las algas y la funcionalidad de una lámpara.

Las algas son muy fáciles de cultivar, requiriendo únicamente la luz solar, dióxido de carbono CO2 y agua, ofreciendo una forma muy sencilla de producir energía. La energía producida se almacena en una batería que es emitida por un diodo LED situado en la base, mientras que un sensor controla la intensidad de la luz.

La respiración proporciona a las algas el CO2, mientras que el agua libera oxígeno. La colocación de la lámpara a la luz del día, permite a las algas utilizar la luz solar para sintetizar los alimentos a partir de CO2 y el agua.

El futuro de la energía solar pasa por que los avances en innovación, se puedan aplicar tecnologicamente a cualquier tipo de superficie con el propósito de producir el máximo de energía posible al menor coste.

Nuevos materiales elaborados a partir de polimeros con cualidades catalíticas, cuyo resultado sean obleas fotosolares flexibles que le permitan adaptarse a diferentes estructuras. Investigadores pertenecientes a los Laboratorios Federales Suizos para la Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa) en Suiza, llevan años obteniendo unos resultados en el desarrollo de tecnologías solares CIGS basada en semiconductores elaborados con cobre, indio, galio y seleniuro, conocido por su potencial para proporcionar rentable la electricidad solar.

Para hacer que la electricidad solar asequible a gran escala, los científicos e ingenieros de todo el mundo llevan tiempo tratando de desarrollar una célula solar de bajo costo, que a la vez sea muy eficiente y fácil de fabricar con un alto rendimiento. Dirigidos por el profesor Ayodhya N. Tiwari parece que han dado con la formula estableciendo un nuevo récord del 20.4% de eficiencia de conversión de energía, utilizando una película delgada fotovoltaica fabricada con un sustrato de polímero flexible CIGS.

El investigador Ayodhya N. Tiwari antes de ofrecer una de sus ponencias

Este registro representa una enorme mejora sobre el anterior récord del 18,7% alcanzado por el mismo equipo en mayo de 2011. a los que habría que sumar producto del trabajo realizado durante los últimos trece años por el equipo de Tiwari, mas concretamente la serie arranca con el 12,8% en 1999 ascendiendo hasta el 14,1% en 2005, 17,6% en 2010 y el ya citado del 18,7% en 2011.

Para conseguir esta tasa de eficiencia se tuvieron que modificar las propiedades de la capa CIGS, cultivandose a bajas temperaturas, aumentando de esta forma la absorción de luz por parte de las células solares. El valor de eficiencia de las células fue certificado por el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar (ISE) en Friburgo, Alemania.

Las células solares flexibles de película delgada además presenta la ventaja de que su proceso de fabricación a gran escala, en comparación con los tradicionales paneles solares basados en silicio presenta un rendimiento económico mucho mayor debido a que su tecnología se puede aplicar en diferentes sectores como la construcción, la industria textil, las telecomunicaciones, la industria del automovil etc...

Energía y movimiento son dos conceptos que pese a complementarse, en términos prácticos este mecanismo productor de energía ha sido muy poco aprovechado. Aunque existen numerosos proyectos que tratan de aprovechar la enorme capacidad de la piezoelectricidad para generar electricidad utilizando la energía que cinéticamente genera un organismo en movimiento.

Recientemente, los investigadores del Georgia Institute of Technology han creado lo que ellos creen es un método más eficiente. Ellos han desarrollado una célula de energía de auto-carga que convierte directamente la energía mecánica en energía química. La célula almacena la potencia hasta que se libera como una corriente eléctrica.

Mediante la creación de una célula híbrida generador-almacenamiento, se han eliminado la necesidad de emplear sistemas que utilizan una batería independiente del generador, reduciendo la cantidad de peso y espacio que normalmente se requiere para acomodar dispositivos que generen, almacenen y suministren la energía cinética.

El estudio dirigido por Zhong Lin Wang, profesor regente en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales en el Instituto de Tecnología de Georgia, afirma que el sistema de carga se acumula en ciertos materiales sólidos con características piezoeléctricas, conducen los iones de litio de un lado de la célula cuando la membrana se deforma por el estrés.

Mediante el aprovechamiento de una fuerza de compresión (cinética), tal como un talón del zapato golpeando sobre un material (piezoeléctrico) el pavimento, la célula de genera suficiente corriente para alimentar una pequeña calculadora.

Una celda de potencia híbrida del tamaño de una pila botón convencional puede alimentar pequeños dispositivos electrónicos - y podría tener aplicaciones militares para los soldados que podría algún día el equipo de recarga de baterías mientras caminaban.

La célula de potencia consta de un cátodo hecho de litio-óxido de cobalto (LiCoO2) y un ánodo compuesto de dióxido de titanio (TiO2) nanotubos cultivados sobre una película de titanio. Los dos electrodos están separados por una membrana hecha de poli (fluoruro de vinilideno) (PVDF), que genera una carga piezoeléctrica cuando se somete a tensión.

Cuando la célula de potencia se comprime mecánicamente, la película de PVDF genera un potencial piezoeléctrico que sirve como una bomba de carga para conducir los iones de litio del lado del cátodo al lado del ánodo. La energía se almacena en el ánodo como el óxido de litio-titanio.

Hasta el momento, Wang y su equipo de investigación, han construido y probado más de 500 de las células de energía. Wang estima que la celda híbrida será tanto como cinco veces más eficiente en la conversión de energía mecánica en energía química que un generador y una batería por separado.

El sistema podría ser utilizado para convertir la energía mecánica que se produce al caminar, de la que generan los neumáticos de un vehículo, a partir de las olas del mar cuando golpean en la costa o de las vibraciones mecánicas producidas por multitud de objetos.

Una de las características positivas que presentan las energías renovables, es que es una tecnología que ofrece múltiples posibilidades de obtener energía de forma limpia y barata, criterio que se puede trasladar al terreno de la investigación. Donde las combinaciones muestran escenarios que casi superan las tramas de los relatos mas arriesgados de ciencia ficción.

¿Os imaginais que un día se comercialicen placas solares con elementos orgánicos?. Desarrollado por los estudiantes del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) Hyunjung Yi y Xiangnan Dang, coordinados por la profesora Angela Belcher han conseguido desarrollar un sistema fotovoltaico híbrido compuesto por grafeno y un virus modificado.

Los investigadores han utilizado un virus modificado genéticamente para producir estructuras que mejoran la eficacia de la célula solar en alrededor de un tercio, encontrando una manera de hacer mejoras significativas en la eficiencia de conversión de energía de las células solares utilizando un virus diminuto para realizar trabajos de montaje detallado a nivel microscópico.

Utilizando una versión genéticamente manipulada de un virus llamado M13 han podido controlar la disposición de los nanotubos de carbono adheridos a estructuras de carbono, que conforman las células solares de modo que el transporte de electrones sea más eficiente y por tanto se produzca más electricidad en una superficie de nanotubos separados de carbono.

Los fotones solares golpean un material captador de luz en una célula solar, que libera electrones que pueden producir una corriente eléctrica. La investigación de este nuevo estudio se basa en los hallazgos de que los nanotubos de carbono pueden mejorar la eficiencia de captura de electrones de la superficie de una célula solar.

Lo que han observado los investigadores es como el virus M13 realiza una función reguladora evitando la fricción de los dos tipos de nanotubos (los semiconductores y los cables) que conforman la estructura de las celdas solares, facilitando el ciclo semiconductor de los electrones, experimentando un aumento de la eficiencia de hasta un 30 por ciento, del 8 al 10,6 por ciento.

Los virus en realidad realizan dos funciones diferentes en este proceso. En primer lugar, poseen proteínas cortas llamadas péptidos que pueden unirse fuertemente a los nanotubos de carbono, manteniéndolas separadas entre sí. En segundo lugar cada virus controla entre cinco y diez nanotubos, usando unas 300 proteínas.

Además, el virus se ha diseñado para producir un recubrimiento de dióxido de titanio (TiO2), un ingrediente clave para el tinte de las células solares sensibilizadas, sobre cada uno de los nanotubos, poniendo el dióxido de titanio en las proximidades de los nanotubos transportando los electrones.

La investigación financiada por la compañía italiana Eni, a través de MIT Energy Initiative’s Solar Futures Program. El equipo que utilizo anteriormente versiones modificadas del mismo virus para mejorar el rendimiento de las células, sin embargo el método utilizado para mejorar el rendimiento de la célula solar es el mismo, reduciendo los costes de fabricación y producción de energía.

Las tecnologías limpias cada vez dependen más de las baterías, en particular de las que estan fabricadas con iones de litio. Todo, desde los coches eléctricos, las soluciones de almacenamiento para instalaciones de energía renovable, así como casi todos nuestros gadgets como por ejemplo moviles portátiles utilizan este modelo de almacenamiento. El que debido a su intenso uso ha experimentado una mejoria en las especificaciones que presenta, sobre todo en su capacidad de almacenamiento y durabilidad, inconvenientes que ante las nuevas necesidades la tecnologia actual esta llegando a su limite de su capacidad.

Investigadores del Laboratorio Ambiental de Ciencias Moleculares (EMSL), han desarrollado un innovador prototipo que mediante el uso de nanopartículas de silicio que ala hinchanse aumentan la cantidad de iones de litio que pueden ser almacenados, multiplicando por siete la cantidad de energia que podria llegar almacenar, alargando la vida util hasta cinco veces las actuales. Este avance podría conducir a la fabricación de baterías que no sólo poseen mas capacidad para almacenar mucha más energía, sino que reducen los costes de fabricación en su fabricación a escala industrial ademas de alargar su vida util, lo que abre un sin fin de posibilidades.

Las propiedades de las baterías de Li-ion, como la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética y resistencia a la descarga, la ausencia de efecto memoria o su capacidad para operar con un elevado número de ciclos de regeneración, han permitido el diseño de acumuladores livianos, de pequeño tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados para las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo. Desde la primera comercialización a principios de los años 1990 de un acumulador basado en la tecnología Li-ion, su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores portátiles y lectores de música

Las baterías de ión litio generan electricidad debido a la circulacion de los iones de litio a través de un electrolito. En una batería completamente cargada, los iones de litio se almacenan en un cátodo, de óxido de litio cobalto (LiCoO2), que es estable en el aire. Cuando está en uso, el flujo de iones de litio flujo desde el cátodo a través de un electrolito en el ánodo, comúnmente de carbono.

Durante la recarga, los iones son empujados hacia atrás hacia el cátodo donde comienza su ciclo. Los investigadores han construido sobre la tecnología actual, creando un nuevo tipo de ánodo compuesto de nanopartículas de silicio individuales dentro de los depósitos de carbono, como las yemas de los huevos en el interior de la clara. En este nuevo diseño, el flujo de iones de litio, viaja desde el cátodo a través del electrolito, difundiendose a través de las celdas de carbono, y en el silicio, que puede contener diez veces mas particulas en forma de iones de litio.

Investigadores del departamento de Dispositivos Fotovoltaicos y Optoelectrónicos de la Universitat Jaume I, de Castellon, dirigidos por el profesor Juan Bisquert, han desarrollado, utilizando componentes basados en tecnología nanotecnologíca, un dispositivo con materiales semiconductores que genera hidrógeno a partir del agua utilizando únicamente la luz solar.

Inspirado en el fenómeno de la fotosíntesis que se produce de forma natural (un proceso por el cual las plantas utilizan la luz solar para transformar la materia orgánica en compuestos orgánicos, liberando la energía almacenada en los enlaces moléculares del trifosfato de adenosina, obteniendo compuestos energéticos, como azúcares o hidratos de carbono). La fotosintesis artificial, que es como se ha denominado al proceso, produce de formas eficiente de hidrógeno a partir de materiales semiconductores y la luz solar constituye un reto crucial para cambiar de paradigma hacia una tecnología basada en el hidrógeno.

A pesar de la eficiencia energética del dispositivo todavía no es suficiente para que se considere su comercialización, explorándose diversas vías para mejorar su eficiencia y demostrar que esta tecnología representa una alternativa real para satisfacer las demandas de energía del siglo XXI. El hidrógeno es un elemento muy abundante en la superficie de la Tierra, en combinación con el oxígeno: el agua (H20). La molécula de hidrógeno (H2) contiene una gran cantidad de energía que se libera cuando se quema debido a la reacción con el oxígeno atmosférico.

Con el fin de convertir el agua en hidrógeno, la molécula de H2O debe dividirse en sus componentes esenciales, en este caso utilizando una técnica basada en la utilización de la radiación solar, (sin utilizar combustibles fósiles), y con ninguna otra ayuda, se provocan las reacciones químicas que separan el agua y el hidrógeno de forma similar a las hojas de las plantas. Por esta razón, estos dispositivos se han bautizado como hojas artificiales.

El dispositivo se sumerge en una solución acuosa que, cuando se ilumina con una fuente de luz, forma burbujas de gas hidrógeno. En primer lugar, el grupo de investigación utilizó una solución, con un agente oxidante estudiando la evolución de hidrógeno producido por los fotones. El siguiente desafío, según Iván Mora, miembro del equipo que ha desarrollado la solución, es entender el proceso físico-químico que produce el material semiconductor y su interrelación con el medio acuoso con el fin de agilizar el proceso del dispositivo.

El desarrollo de la hoja artificial es un gran reto científico debido a la dificultad que plantea la selección de materiales que se utilizan en el proceso, trabajando de manera continua y no en descomposición. El equipo de la Universitat Jaume I es uno de los pocos grupos de investigación a nivel internacional que ha demostrado la viabilidad de un dispositivo de estas características, junto con los laboratorios de América del Norte en el MIT en Boston o NREL en Denver . El líder del grupo de investigación, Juan Bisquert, cree que en comparación con otros dispositivos, el que ha sido desarrollado por su equipo presenta la ventaja de reducir los costos de producción y de una mayor recolección de los fotones incidentes de la luz, utilizándose para la producción de hidrógeno fotones incluso del espectro infrarrojo”.

Si bien la energía solar ha sido durante mucho tiempo considerada como clave para resolver las demandas de energía del planeta tierra, el problema de la eficiencia y almacenamiento supone todavía un handicap, y aunque esta en vía de resolverse, todavía habrá que esperar hasta que madure tecnologicamente. Una de las vías que se están explorando en la actualidad, es la posibilidad de generar energía de origen solar en el espacio, aparentemente esta opción es la mas coherente, cuanto mas próximo de este de la fuente productora de energía (en este caso el sol) mas intensa sera la radiación, fenómeno que incrementara la cuota de producción. Pero logisticamente se plantea un problema, el transporte de la energía recolectada hasta las plantas de distribución en la Tierra.

Sin embargo, un equipo de ingenieros de la Universidad de Strathclyde en Glasgow creen poseer la clave para que la energía solar producida en una órbita espacial, no plantee grandes dificultades su traslado y consumo en la Tierra. El equipo está probando actualmente un sistema que actuaría como una plataforma para que los paneles solares, produjera energía aprovechando el máximo espectro solar, permitiendo que sea transferido de vuelta a la tierra utilizando sistemas basados microondas o rayos láser.

Estos 'satélites solares" serían capaces de proporcionar al planeta una fuente inagotable de energía que permitiría, suministraría de energía a zonas remotas y proporcionar energía a las áreas que son difíciles de alcanzar por medios tradicionales. El doctor Massimiliano Vasile, del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Strathclyde, que dirige la investigación espacial, piensa que el espacio ofrece una fantástica fuente para energía solar, con capacidad para producir energía independientemente de la hora del día o las condiciones climáticas.

En un experimento sobre el Círculo Polar Ártico conocido como Suaineadh, fue un importante paso adelante en el diseño de un prototipo con una tecnología similar, a la de una sonda solar espacial, poniendo de manifiesto que las estructuras más grandes podrían ser construidas, preparando el camino para la siguiente etapa en el proyecto de energía solar espacial.

El proyecto actual, llamado SAM (Self-inflating Adaptable Membrane) pondrá a prueba el despliegue de una estructura celular ultra ligera, que puede cambiar de forma una vez desplegado. La estructura está hecha de células que son autoinflables en el vacío y puede cambiar su volumen de forma independiente a través nanopumps.

La estructura reproduce la estructura celular natural que existe en todos los seres vivos. El control independiente de las células permite transformarse la estructura en un concentrador solar que recoge luz solar y la proyecta a los paneles solares. La misma estructura se puede utilizar para construir sistemas de mayor tamaño en el espacio mediante el ensamblaje de miles de pequeñas unidades individuales. Si todo va según lo previsto, un día podríamos tener una red de satélites solares que esencialmente cosecharan energía solar y terminara con el déficit energético en el mundo.

No hay duda de que el silicio como material ha revolucionado el mundo en que vivimos y ha sido la razón de muchos de los logros y los avances tecnológicos. Los transistores de silicio basados son la clave para todos los chips de computadoras y los procesadores de teléfonos inteligentes que vemos hoy. En nuestra búsqueda de mejores y más rápidos los dispositivos electrónicos, nos hizo tropezar con el silicio y ahora lo han llevado a su extremo absoluto en términos de rendimiento y tamaño. Los dispositivos de silicio basados no se puede conseguir más pequeños de lo que son ahora y los investigadores se han movido en la dirección de el grafeno como material potencial con el que conseguir tecnologías mas avanzadas.

El grafeno se basa en una sola capa de átomos de carbono que se organizan en una estructura de panal, en un intento de sintetizar los semiconductores y componentes de circuitos que se utilizan. Un equipo de científicos de la Universidad de Wisconsin en Milwaukee (UW-M) en Estados Unidos, dirigidos por Junhong Chen (ingeniería mecánica) y Marija Gajdardziska (física) tropezó con el Monóxido de grafeno como posible solución para desarrollar semiconductores. El descubrimiento que se realizo de forma accidental, ya que estaban tratando de obtener puras hojas de grafeno a partir de su investigación a partir de óxido de grafeno. El calentamiento de óxido de grafeno a diferentes temperaturas produjo cuatro sustancias diferentes que el equipo bautizo como el grafeno de monóxido de carbono (OGM).

El recién descubierto OMG exhibió diversas propiedades que permitió al equipo concluir que puede ser utilizado como un material semiconductor. Como OMG está formada en hojas, puede incluso utilizarse como un catalizador de superficie y el equipo que descubrió esta estructura única de OMG, piensa que sus propiedades semiconductoras son la esperanza para sintetizar semiconductores en un futuro.

El monóxido de grafeno es un descubrimiento reciente y tardara mucho tiempo, hasta que los investigadores comprendan todo su potencial. El equipo admite que todavía tienen que probar cómo responde OGM a diferentes temperaturas y cuan estable puede estar en condiciones reales de trabajo. La comprensión de cómo el calor afecta el monóxido de grafeno es el siguiente gran paso hacia adelante en esta investigación.

Hartmut Esslinger es conocido por haber colaborado con Apple en muchos de sus diseños de computadoras mas emblemáticos de los años 80 y principios de los 90, pero su trabajo no se limitó a Macintosh: la Rana es uno de los experimentos más salvajes creados por la firma que fundo el propio Hartmut Esslinger. Incluso el fabricante Yamaha se inspiro en su prototipo para diseñar FZ750 , habiendo siendo añadida a la colección del Museo de San Francisco como parte de la colección permanente de arte moderno.

Veinticinco años después presenta la Rana 2, que promete revolucionar el mundo de las dos ruedas, ya que funciona con baterías eléctricas, que pueden ser intercambiadas cuando se agotan. Aunque las características incorporadas en la moto ya se han integrado en muchas motos modernas, esta versión actualizada representa la evolución en la tecnología. Por ejemplo, la Rana 2 incluye tres núcleos en la batería que, presumiblemente, compuestos por las nanopartículas cristalinas de hexacianoferrato de cobre, aún en fase de experimentación.

En pruebas de laboratorio, el electrodo ha resistido 40.000 ciclos de carga y descarga, después de lo cual todavía mantiene más del 80 por ciento de su capacidad de carga original. En comparación, el promedio de una batería de iones de litio puede alcanzar alrededor de 400 ciclos de carga/descarga antes de que se deteriore demasiado como para tener un uso práctico, teniendo una vida útil de hasta 30 años.

Las baterías situadas en la parte inferior del chasis debajo del espacio abierto, ayudan a reducir el centro de gravedad. El manillar se fija al chasis así que en vez de mover físicamente la parte delantera, el eBike utiliza medios electrónicos fly-by-wire en la dirección. Otras características que incluyen, una matriz OLED display digital y conectividad en línea. La rana eBike iría acompañado de un casco equipado con el heads-up display con el seguimiento de la retina.

La comunidad científica lleva años investigado el desarrollo de células solares a partir del conjunto de las moléculas dentro de la planta que realizan la fotosíntesis, conocidas como photosystem-I (fotosistema-I). Sin embargo, este material requiere una película delgada por deposición y tecnología óptica. Un estudio dirigido por el investigador Andreas Mershin perteneciente al MIT y publicado en el ultimo numero de Scientific Reports, describe un método mejorado para la fabricación de "biophotovoltaics" (biofotovoltaicos) productoras de energía de origen solar.

Los complejos pigmento-proteína también contienen componentes específicos para la transferencia de electrones, que son importantes para la obtención de energía mediante el proceso de fotosíntesis. La organización de los complejos pigmento-proteína dentro de la membrana del tilacoide es tal que en realidad pueden ser distinguidos dos fotosistemas. Cada fotosistema contiene un conjunto de clorofilas y carotenoides conocido como pigmentos antena, por la función que realizan.

Los investigadores del MIT imprimieron células solares en un papel del tamaño de dos por uno: puntos cuánticos, el resultado es la creación de una célula solar viable usando una combinación de nuevos materiales que aislan a las moléculas de PS-I y forman un conjunto de diminutos nanocables de óxido de zinc, así como dióxido de titanio esponjoso (TiO2) nano estructura revestida con el colector de luz material derivado de las bacterias. logrando una superficie semiconductora. Por último, se demostró una alta afinidad péptido motifs10 para promover la adsorción selectiva de sustratos que pueden mejorar el rendimiento fotovoltaico. Estos materiales, se podrían al diseño de dispositivos sencillos, robustos y de rendimiento sin precedentes.

El avance representa una mejora de la eficiencia 10,000 por ciento respecto a las células solares anteriores producidas con materia biologica, a pesar de esta mejora todavía están lejos de ser productivas, ya que solo aprovechan 0,1 por ciento de la luz solar, tasa que aun esta muy lejos de ser rentable. La clave para la consecución de este gran mejora en la eficiencia, fue encontrar una manera de exponer mucho más de la zona de PS- I por unidad de superficie del dispositivo al sol, la inspiración Mershin para el nuevo avance fue debido a una visita de un bosque de pinos.

Debido a que el sistema es tan barato y sencillo, se espera que esto se convierta en una forma de conseguir electricidad a personas que nunca han sido considerados como consumidores o productores de energía solar" Se espera que las instrucciones para hacer un solar celular será lo suficientemente simple para ser reducido a "una hoja de instrucciones." El único ingrediente que se adquiría serían los químicos para estabilizar las moléculas de PS-I, que combinados con residuos vegetales producirian.

Los resultados recientes de dos investigaciónes realizados por científicos pertenecientes al National Renewable Energy Laboratory (NREL)y a la Universidad de Texas en Austinen Estados Unidos han corroborado los prometedores resultados por el equipo del Instituto Kavil de Nanociencia de TU Delft en Holanda, y que lleva trabajando desde 2.008 en el desarrollo de la tercera generación de células solares, las denominadas células solares cuánticas, que elevan el ratio de aprovechamiento de radiación solar hasta el 48%, cuando en la actualidad con el modelo basado en silicio, oscila entre el 15% y el 21%.

Las células solares basadas en silicio solo poseen la capacidad para excitar un electrón por cada fotón capturado de la radiación solar irradiada, por lo que la cantidad que se pierde es mucha, mientras que en una celda de punto cuántico solar, puede con una partícula de luz puede excitar varios electrones. Cuanta mas elevado es el nivel de estres al que se somete a los electrones, mayor será la eficiencia de la célula solar.

La linea de investigación que explota nuevos fenómenos de la mecánica cuántica en las estructuras a escala nanométrica. En la actualidad se centra en anillos superconductores, los puntos cuánticos, nanocables, nanotubos de carbono, el diamante, y el grafeno. Aplicados a estos dispositivos para controlar el comportamiento cuántico en el nivel de giros y fotones individuales, con la posibilidad de avances fundamentales en el desarrollo de paneles mas económicos y eficientes energeticamente, aprovechado mejor las propiedades de la energía solar.

Los investigadores del Kavil de Nanociencia de TU Delft en los Países Bajos han demostrado que los electrones pueden moverse libremente en las capas de nanopartículas semiconductoras vinculados bajo la influencia de la luz en un avance reduce las perdidas de energía que se producen con las celdas fabricadas con silicio cristalino.

Por otra parte, el equipo de la Universidad de Texas en Austin, ha desarrollado un material semiconductor de plástico capaz de duplicar el número de electrones producidos a partir de un fotón de luz. La captura de "electrones calientes" que normalmente se pierde como calor residual, se recupera obteniendo una eficiencia del 44 por ciento, mucho más allá de límite teórico actual de 31 por ciento, de acuerdo con el químico Xiaoyang Zhu que ha presentado el informe y redactado el estudio.

Según Matt Beard, científico senior y autor del artículo publicado en Science sobre el tema,

se está trabajando para sacar provecho de un fenómeno conocido como Multiple Exciton Generation (MEG), donde un fotón de una célula solar puede generar más de un electrón. La utilización de este proceso podría permitir a los científicos crear materiales capaces de extraer energía útil a partir de fotones de alta energía en el rango de luz violeta y ultravioleta del espectro.

El desarrollo de pequeños cristales de unos pocos nanómetros de tamaño, capaces de capturar fotones de alta energía que las células solares de hoy en día no lo hacen. creando a partir de tecnología basada en procesos electrónicos MEG obteniendo celdas múltiples de pentaceno, un semiconductor de plástico que podría conducir a células solares baratas.