Credito: SEAS / Steven
J.Byrnes
Nuestro planeta,
debido a la energía solar que recibe, es mucho más caliente que su gélido
entorno.
Esta situación, ha permitido que un equipo de físicos de la Harvard School of
Engineering and Applied Sciences (SEAS) de EEUU idear
dispositivos con el cual se podría aprovechar la energía de las emisiones infrarrojas
que la Tierra
lanza al espacio, permitiendo generar así un flujo continuo de carga eléctrica
o de corriente continua (CC).
Caroline Perry en un comunicado de la SEAS , dice que gracias a los
avances tecnológicos recientes, este desequilibro de calor sería aprovechado
como una fuente de vasta energía que por ahora es inexplotada.
Eso sí, que para poder
“generar energía por emisión, y no por absorción de luz”, algo que parece
contrario a la lógica, hay que hacer uso de una aplicación completamente nueva,
basada en la física a nano escala,
explica el principal investigador y autor de la idea, el profesor Federico
Capasso de SEAS.
Capasso
es famoso a nivel mundial
como experto en física de semiconductores, fotónicos y electrónicos. En 1994
co-inventó el láser ifrarrojo de cascada cuántica y en 2001 demostró que un fenómeno
cuántico electrodinámico elusivo, conocido como “Fuerzas de Casimir”,
funcionaba, ya que él y sus colaboradores consiguieron en concreto, poner en
marcha un sistema microelectromecánico a MEMS con dichas fuerzas, las cuales
eran mínimas.
Capasso y su equipo siempre han tratado de
cuestionar las suposiciones establecidas sobre óptica y electrónica, de manera
rigurosa. Ahora se han lanzado a cuestionar las ideas sobre uno de los rangos
del espectro electromagnético (que es el conjunto de las ondas
electromagnéticas que emite cualquier objeto): el infrarrojo
medio, , a menudo también denominado infrarrojo térmico.
Según el científico
“el infrarrojo medio ha sido, en general, una parte descuidada del espectro”,
por su dificultad para trabajar con él. Pero Capasso propone aprovecharlo
fabricando un panel solar fotovoltaico que, en lugar de capturar la luz visible
entrante, genere energía eléctrica a partir de la emisión de luz infrarroja.
“La luz del Sol tiene energía, así que la fotovoltaica tiene
sentido; simplemente se recoge esa energía. Pero eso no es tan simple
realmente, y capturar energía de luz infrarroja emitida es incluso menos
intuitivo”, señala Steven J. Byrnes, uno de los
colaboradores de Capasso en el SEAS y principal autor de un artículo sobre la
idea publicado aparecido en PNAS.
“No resulta obvia la cantidad de energía que podría generarse
por esta vía (…) hasta que te sientas y haces cálculos”. Resulta
que éstos han demostrado que la energía producida sería modesta pero real. De
este modo, un dispositivo que aprovechase las emisiones infrarrojas podría, por
ejemplo, acoplarse a una célula solar tradicional para obtener un extra de
energía durante la noche, sin coste de instalación añadido.
Para demostrar
las posibilidades del sistema, el grupo de Capasso sugiere fabricar dos tipos
distintos de recolectores de la energía infrarroja emitida: uno análogo a un
generador de energía solar térmica, y otro similar a una célula fotovoltaica.
Aunque ambos funcionarían a la inversa.
El primero de los sistemas sería un plato “calentado” a la temperatura de la Tierra y del aire, con otro
plato “frío” situado sobre él. Los científicos han calculado que la diferencia
de calor entre ambos platos generaría unos cuantos vatios por metro cuadrado,
día y noche.
El segundo
dispositivo estaría basado también en las diferencias de temperatura, pero
entre componentes electrónicos fabricados a nano escala (en concreto, diodos y
antenas).
Simplificando,
los componentes de un circuito eléctrico pueden de manera espontánea impulsar
una corriente en cualquier dirección. Si en un sistema un diodo se encuentra a
una temperatura más alta que un resistor o resistencia eléctrica, el primero
impulsará una corriente eléctrica en una dirección, produciendo un voltaje
positivo.
Capasso y su equipo sugieren que el papel de esa resistencia podría
desempeñarlo una antena microscópica que emitiera de manera muy eficiente la
radiación infrarroja natural de la
Tierra hacia el cielo, enfriando los electrones presentes
sólo en una parte del circuito.
El resultado, asegura Byrnes, sería “conseguir una corriente eléctrica directamente del proceso de radiación, sin tener que pasar el paso intermedio de enfriar un objeto macroscópico”. Según el artículo, un solo dispositivo plano podría ser revestido con muchos de estos circuitos pequeños, dirigidos hacia el cielo, y así usado para generar energía.
El novedoso método sería factible gracias a desarrollos tecnológicos recientes, como los avances en plasmónica, en electrónica a pequeña escala, en nuevos materiales como el grafeno o en nanofabricación.
Sin embargo, incluso los mejores diodos de infrarrojo modernos presentan un problema. El voltaje que se produce a partir de emisiones infrarrojas es relativamente bajo y “es muy difícil crear un diodo de infrarrojo que funcione bien” con esos voltajes, afirma Byrnes.
Los ingenieros y los físicos del equipo de investigación están considerando nuevos tipos de diodos que puedan rendir bien con los voltajes más bajos, como diodos túnel o diodos balísticos. También contemplan incrementar la impedancia de los componentes del circuito para aumentar el voltaje hasta un nivel más práctico.
El resultado, asegura Byrnes, sería “conseguir una corriente eléctrica directamente del proceso de radiación, sin tener que pasar el paso intermedio de enfriar un objeto macroscópico”. Según el artículo, un solo dispositivo plano podría ser revestido con muchos de estos circuitos pequeños, dirigidos hacia el cielo, y así usado para generar energía.
El novedoso método sería factible gracias a desarrollos tecnológicos recientes, como los avances en plasmónica, en electrónica a pequeña escala, en nuevos materiales como el grafeno o en nanofabricación.
Sin embargo, incluso los mejores diodos de infrarrojo modernos presentan un problema. El voltaje que se produce a partir de emisiones infrarrojas es relativamente bajo y “es muy difícil crear un diodo de infrarrojo que funcione bien” con esos voltajes, afirma Byrnes.
Los ingenieros y los físicos del equipo de investigación están considerando nuevos tipos de diodos que puedan rendir bien con los voltajes más bajos, como diodos túnel o diodos balísticos. También contemplan incrementar la impedancia de los componentes del circuito para aumentar el voltaje hasta un nivel más práctico.
La velocidad
supone otro desafío, pues para las señales infrarrojas se necesita un tipo de
diodo que se pueda encender y apagar 30 trillones de veces por segundo. “Necesitamos atender los requisitos de
velocidad al mismo tiempo que los requisitos de voltaje e impedancia”,
explica Byrnes, y concluye: “Ahora que
comprendemos las restricciones y necesidades, nos encontramos en una buena
posición para trabajar en el diseño de una solución”.
El trabajo del
Profesor Federico Capasso, Steven J. Byrnes y Romain Blanchard titulado Harvesting renewable energy from
Earth's mid-infrared emissions se encuentra en PNAS (2014) DOI
10.1073/pnas 1402036111.
Fuente:
Compilado de Tendencias 21 -
