Nomada Q : nanotecnología

nanotecnología

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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.

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”.