Energía - X (Diez) Curiosidades

Atrapando luz, mucha luz

Un nuevo diseño de un metamaterial por el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) podría ser mucho más eficiente capturando la luz solar que las celdas solares existentes.

David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés)

Los metamateriales son una nueva clase de sustancias artificiales con propiedades diferentes a cualquiera encontrada en el mundo natural. Algunos han sido diseñados para actuar como mantos de invisibilidad; otros como superlentes, sistemas de antena o detectores altamente sensibles. Ahora, investigadores en el MIT y en otras partes han encontrado una manera de usar metamateriales para absorber un amplio rango de luz con eficiencia extremadamente alta, lo cual dicen que podría llevar a una nueva generación de celdas solares y sensores ópticos.

Nicholas X. Fang, un profesor de Diseño de Ingeniería en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, dice que la mayoría de materiales delgados usados para capturar completamente la luz están limitados a un rango muy angosto de longitudes de onda y ángulos de incidencia. El nuevo diseño usa un patrón de crestas en forma de cuña cuyos anchos están precisamente sintonizados a diferentes para alentar y capturar la luz en un gran rango de ancho de banda y ángulos de incidencia.

Estos materiales pueden ser extremadamente delgados, ahorrando peso y costo. Fang compara las estructuras al caracol del oído interno, que responde a diferentes frecuencias de sonido en diferentes puntos a través de su estructura que se va estrechando. “Nuestros oídos separan diferentes frecuencias y las recolecta a diferentes profundidades”, dijo; similarmente, las crestas del metamaterial recolectan fotones a diferentes profundidades.

La estructura actual del material es grabada alternando capas de metal y un material aislante llamado dieléctrico, cuya respuesta a la luz polarizada puede ser variada al cambiar un campo eléctrico aplicado al material. La creación de este nuevo material es descrita en una revista académica que será publicada en la futura edición del diario Nano Letters. Una versión preliminar de la revista académica de Fang – realizada junto con investigadores de la Univerzidad Zhejiang y la Universidad Taiyuan en China, y la Universidad de Illinois – está disponible en línea ahora.

King Hung Fung, un postdoctorado del MIT y co-autor de la revista académica en Nano Letters, dice, “Lo que hemos hecho es diseñar una estructura de diente de sierra con múltiples capas que puede absorber un amplio rango de frecuencias” con una eficiencia de más del 95%. Previamente, dicha eficiencia solo podía ser alcanzada con materiales sintonizados a una banda muy estrecha de longitudes de onda. “La absorción de alta eficiencia había sido alcanzada antes, pero este diseño tiene una ventana muy amplia” para colores de luz, dice Fung.

Los metamateriales han sido “un tema muy popular esta década”, dijo, “por que pueden ayudarnos a diseñar materiales funcionales que interactuan con luz de formas no convencionales”. Usando el metamaterial sintonizado, dice, su equipo fue capaz de alentar la luz a menos de una centésima de su velocidad normal en un vacio, haciendo mucho más fácil atraparla dentro del material. “Cuando algo va muy rápido, es difícil atraparlo”, dijo, “así que lo alentamos y es más fácil de absorber”.

El material puede ser fácilmente fabricado usando equipo que ya es estándar en la fabricación de celdas fotovoltaicas convencionales. Aunque el trabajo inicial estuvo basado en simulaciones de computadora, el equipo trabaja ahora en experimentos de laboratorio para confirmar sus hallazgos.

Además de celdas solares, el diseño puede ser usado para hacer detectores infrarrojos eficientes para un rango selecto de longitudes de onda. “Podemos mejorar selectivamente la interacción del material con la luz infrarroja a las langitudes de onda que queremos”, dijo Fung.

Fang dice que por su naturaleza, el material sería un emisor y absorbedor muy eficiente de fotones – así que adicionalmente al uso potencial en nuevos tipos de celdas solares o detectores infrarrojos, el material podría ser utilizado para aplicaciones emisoras de luz infrarroja, como dispositivos para generar electricidad a partir de calor. Además, los investigadores dicen que el principio podría ser escalado y ser usado para capturar o emitir radiación electromagnética a otras longitudes de onda, como microondas y frecuencias de terahertz. Incluso podría ser usado para producir luz visible con un costo de energía extremadamente bajo, creando un nuevo tipo de foco de alta eficiencia.

Richard Averitt, un profesor de física en la Universidad de Boston que no estuvo involucrado en esta investigación, llama a la estructura con forma de diente de sierra desarrollada por este equipo “un acercamiento único e impresionante hacia crear absorbedores de ancho de banda funcionales” que podrían tener aplicaciones en detección térmica y en recolección de luz para aplicaciones de energía. Advierte que se requiere de más trabajo para facilitar la fabricación e integración de los materiales, pero agrega, “Esta es una intrigante estructura que alenta ondas que deben inspirar nuevos desarrollos en este campo”.

El trabajo fue patrocinado por la Fundación Nacional de Ciencia de los Estados Unidos, y la Fundación Nacional de Ciencia de China y la Oficina Asiática de Investigación y Desarrollo Aeroespacial.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Nanoárboles extraen hidrógeno del agua usando luz solar

Ingenieros eléctricos de la Universidad de California, en San Diego, están construyendo un bosque de pequeños árboles de nanocables para capturar limpiamente la energía solar sin utilizar combustible fósil, recolectándola para generar combustible de hidrógeno. Reportándolo para el diario Nanoscale, el equipo dijo que nanocables, que están hecho de materiales abundantes en la naturaleza como silicio y óxido de zinc, también ofrecen una manera económica de proveer combustible de hidrógeno en una escala masiva.

Los árboles tienen una estructura vertical, esta estructura absorbe luz mientras que superficies planas simplemente la reflejan. Es similar a los células retinales fotoreceptoras en los ojos humanos. En imágenes de la tierra desde el espacio, la luz se refleja de superficies planas como los océanos o desiertos, mientras que bosques aparecen oscuros.

Este nuevo diseño utiliza energía de una manera limpia y sin productos secundarios. En comparación, el método convencional de producir hidrógeno está basado en elecetricidad producida por combustibles fósiles. El equipo investigador tiene un objetivo más grande todavía: alcanzar la fotosíntesis artificial.

Imagen: Wang Research Group, UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Más información
http://ucsdnews.ucsd.edu/ (en inglés)

El reactor nuclear más antiguo del mundo deja de funcionar

La central nuclear Oldbury que es la más antigua del mundo está ubicada cerca de la aldea de Oldbury en Savern en el sur de Gloucestershire, Inglaterra, dejó de funcionar después de 44 años de servicio. Oldsbury es una de las 4 estaciones con desembocadura del río Savern y el canal Bristol.

Dentro de dos años cuando el reactor se enfríe y lo vacíen del combustible, los especialistas cerrarán definitivamente dicha central atómica y después deberán esperar 15 años más para poder retirar todos los residuos, sanear el área de la central y destruir los edificios.

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Referencia
http://en.wikipedia.org/ (en inglés)

Baterías líquidas podrían ayudar a la adopción de energía renovable

Batería líquida — Imagen: Patrick Gillooly

Un equipo del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) progresa hacia la meta de baterías económicas a escala de redes eléctricas que podrían volver viables las fuentes de energía renovable intermitentes.

Por David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).

El más grande inconveniente de muchas fuentes de energía limpia y renovable es su intermitencia: El viento no siempre sopla, el sol no siempre brilla, y así el poder que estos producen podría no estar disponible en momentos cuando es necesario. Una gran meta de la investigación de energía ha sido encontrar maneras de ayudar a suavizar estas fuentes erráticas.

Nuevos resultados de un programa de investigación en curso en el MIT, reportado en el Diario de la Sociedad Química Americana, muestra una prometedora tecnología que podría proveer esa manera de nivelar la carga que por tanto tiempo ha sido buscada – a un costo mucho menor y con una mayor duración que los métodos previos. El sistema utiliza baterías de alta temperatura cuyos componentes líquidos, como novedosos cócteles, se ajustan naturalmente en distintas capas debido a sus distintas densidades.

Los tres materiales fundidos forman los polos positivo y negativo de la batería, así como una capa de electrolito – un material que partículas cargadas atraviesan según la batería sea cargada o descargada – en medio. Las tres capas están compuestas de materiales que son abundantes y baratos, explica Donald Sadoway, el profesor de Química de Materiales del MIT y autor principal de la nueva revista académica.

“Exploramos muchos materiales”, dijo Sadoway, buscando la combinación correcta de propiedades eléctricas, la abundante disponibilidad y diferencias en la densidad que permitieran que las capas se mantuvieran separadas. Su equipo encontró un número de prometedores candidatos, dijo, y está publicando su análisis detallado de una de dichas combinaciones: magnesio para el electrodo negativo (capa superior), una mezcla de sales que contiene cloruro de magnesio para el electrolito (capa media) y antimonio para el electrodo positivo (capa inferior). El sistema operaría a una temperatura de 700 grados Celsius, o a 1,292 grados Fahrenheit.

En esta formulación, explica Sadoway, la batería entrega corriente conforme los átomos de magnesio pierden dos electrones, convirtiéndose en iones de magnesio que migran a través del electrolito hacia el otro electrodo. Ahí, re-adquieren dos electrones y se revierten a átomos ordinarios de magnesio, que forman una aleación con el antimonio. Para recargarla, la batería es conectada a una fuente de electricidad, que saca al magnesio de la aleación y a través del electrolito, donde se vuelve a unir al electrodo negativo.

La inspiración para el concepto vino del trabajo previo de Sadoway sobre el proceso electroquímico de la separación del aluminio de su óxido alúmina, que es conducido en celdas electroquímicas que operan a temperaturas altas similares. Muchas décadas de operación han probado que dichos sistemas operan confiablemente durante largos períodos de tiempo a una escala industrial, produciendo metal a un muy bajo costo. En efecto, dice, que lo que encontró fue “una manera de invertir el proceso”.

Durante los últimos tres años, Sadoway y su equipo – incluyendo el Centro Afiliado de Investigación sobre el Procesado de Materiales del MIT David Bradwell, el autor líder de la nueva revista académica – han escalado gradualmente sus experimentos. Sus pruebas iniciales usaron baterías del tamaño de un vaso de tragos cortos (shots); entonces procedieron a celdas del tamaño de discos de hockey, 7.6 centímetros de diámetro y 25 milímetros de grosor. Ahora, han comenzado pruebas en una versión de 15.2 centímetros, con 200 veces la capacidad de la versión inicial.

Las compañías de energía eléctrica podrían finalmente ser los usuarios de esta tecnología, dice Sadoway, “no importa de que estén hechas, o cual sea el tamaño. La única pregunta es cual es el costo de almacenaje” para una determinada cantidad de energía. “Puedo construir una hermosa batería al precio de la NASA”, dijo – pero cuando el costo es la motivación principal, “eso cambia la búsqueda” para el mejor material. Solo basado en la rareza y en el costo de algunos elementos, “largas secciones de la tabla periódica están fuera de los límites”.

El equipo continua su trabajo en optimizar todos los aspectos del sistema, incluyendo los contenedores utilizados para sostener los materiales fundidos y las maneras de aislarlos y calentarlos, así como maneras de reducir la temperatura de operación para ayudar a cortar los costos de energía. “Hemos descubierto maneras de reducir la temperatura operacional sin sacrificar rendimiento eléctrico o costo”, dijo Sadoway.

Mientras que otros han investigados sistemas de baterías líquidas similares, Sadoway dice que él y su equipo son los primeros en producir un sistema de almacenamiento funcional y práctico utilizando esta aproximación. Le atribuye parcialmente su éxito en esto a la mezcla única de experiencia en un lugar como MIT: “La gente en la industria de las baterías no sabe nada sobre la separación electrolítica en sales derretidas. La mayoría piensa que la operación a altas temperaturas sería ineficiente”.

Robert Huggins, un profesor emérito de ciencia de materiales e ingeniería en la Universidad de Stanford, dijo, “Para cada aproximación radicalmente diferente, hay un número de nuevos problemas prácticos a resolver para que se vuelva una alternativa práctica a usarse en el almacenamiento de energía a gran escala, [incluyendo] evaporación electrolítica, y corrosión y oxidación de componentes, así como la cuestión siempre presente del costo”. Sin embargo, dijo, este es “un acercamiento muy innovativo al almacenamiento electroquímico de energía, y está siendo explorado con un alto grado de sofisticación”.

Sadoway, junto con Bradwell, ha fundado una compañía para llevar esta tecnología a la comercialización, y estar en un año sabático trabajando con la compañía, Liquid Metal Battery Corp. (Corporación de Baterías de Metal Líquido). “Si esta tecnología tiene éxito”, dijo, “podría cambiar el juego” para la energía renovable.

El trabajo ha sido patrocinado por el Centro Deshpande de Innovación Tecnológica en el MIT, la Fundación de la Familia Chesonis, el programa ARPA-E del Departamento de Energía de los Estados Unidos, y Total, S.A.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Investigadores revelan por que el litio funciona tan bien en baterías recargables

Desde su descubrimiento hace 15 años, el litio-ferro-fosfato (LiFePO₄ – lithium iron phosphate) se ha convertido en uno de los materiales más prometedores para baterías recargables debido a su estabilidad, su durabilidad, su seguridad y su habilidad para entregar mucha energía a la vez. Ha sido el enfoque de grandes proyectos de investigación alrededor del mundo, y una de las tecnologías lider usadas en todo, desde herramientas inalámbricas a vehículos eléctricos. Pero a pesar de este amplio interés, la razón de las inusuales características de carga y desgarga del litio-ferro-fosfato no habían sido aclaradas.

Por David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).

Dentro de una partícula de litio-ferro-fosfato, el material se separa en bandas que son ya sea ricas en litio o pobres en litio. Pero cuando se cargan con un nivel de corriente lo suficientemente alto, esta separación nunca ocurre, encontró un equipo del MIT.

Ahora, una investigación por el profesor asociado de ingeniería química y de matemáticas del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) Martin Z. Bazant ha provisto nuevos resultados sorprendentes mostrando que el material se comporta muy diferente de lo que se pensaba, ayudando a explicar su rendimiento y posiblemente abriendo la puerta al descubrimiento de materiales de baterías aún más efectivos.

El nuevo conocimiento del comportamiento del litio-ferro-fosfato es detallado en una revista académica que aparecerá esta semana en el diario ASC Nano, escrito por Bazant y el postdoctorado Daniel Cogswell. La revista académica es una extensión de la investigación que reportaron a finales del año pasado en el diario Nano Letters.

Cuando fue descubierto por primera vez, el litio-ferro-fosfato fue considerado útil solo para aplicaciones de poca energía. Desarrollos posteriores mostraron que su capacidad de almacenar energía podría ser dramáticamente aumentado usándolo en forma de nanoparticulas, un acercamiento que lo convirtió en uno de los mejores materiales conocidos para aplicaciones que requieren de mucha energía.

Pero las razones de porqué las nanopartículas de LiFePO4 funcionaban tan bien eran elusivas. Se creía que mientras era cargado o descargado, el material se separaba en diferentes fases con concentraciones muy diferentes de litio; esta separación de fases, se creía, limitaba la capacidad de energía del material. Pero esta nueva investigación mostró qué, bajo muchas condiciones en el mundo real, esta separación nunca ocurre.

La teoría de Bazant predice que por encima de cierta corriente crítica, la reacción es tan rápida que la batería pierde su tendencia para separarse en fases como ocurre con bajos niveles de energía. Justo por debajo de la corriente crítica, el material pasa a través de un estado de “solución casi sólida”, donde “no tiene tiempo de completar la separación de fases”, dijo. Estas características ayudan a explicar por que este material es tan bueno para baterías recargables, dijo.

Este descubrimiento resultó de una combinación de análisis teórico, modelado de computadoras y experimentos de laboratorio, explico Bazant – un acercamiento multi-disciplinario que refleja su posición en los departamentos de ingeniería química y matemáticas en el MIT.

Análisis previos de este material han examinado su comportamiento en un solo punto en el tiempo, ignorando la dinámica de su comportamiento. Pero Bazant y Cogswell estudiaron como el material cambia mientras está en uso, ya sea cuando la batería se está cargando o descargando – y sus propiedades cambiantes sobre el tiempo resultaron ser cruciales para el entendimiento de su rendimiento.

“Esto no había sido hecho antes”, dijo Bazant. Lo que encontraron, agrega, es un fenómeno completamente nuevo, y uno que podría ser importante para entender el rendimiento de muchos materiales de baterías – lo que significa que este trabajo podría ser significativo aún si el fosfato férrico de litio termina siendo abandonado en favor de otros materiales nuevos.

Investigadores han pensado que el litio se empapa gradualmente en partículas que entran del exterior, produciendo un encogimiento del núcleo de material pobre en litio en el centro. Lo que encontró el MIT fue muy diferente: A bajas corrientes, el sitios forma bandas paralelas rectas de material enriquecido dentro de cada partícula, y las bandas viajan a través de las partículas conforme se cargan. Pero a niveles altos de corriente eléctrica, no hay separación, ni en bandas ni en capas; en su lugar, cada partícula se empapa de litio a la vez, transformándose casi instantáneamente de pobre en litio a rica en litio.

El nuevo descubrimiento ayuda también a explicar la durabilidad del litio-ferro-fosfato. Donde hay bandas de diferentes fases presentes, las separaciones entre esas bandas son una fuente de estrés que puede causar agrietamiento y una degradación gradual en su rendimiento. Pero cuando todo el material se carga a la vez, no hay separaciones y hay menos degradación.

Eso es un encuentro inusual, dice Bazant: “Usualmente, si estás haciendo algo más rápido, haces más daño, pero en este caso es lo opuesto”. De forma similar, el y Cogswell predijeron que operando a una temperatura ligeramente más alta haría durar más tiempo al material, lo que es contrario al comportamiento típico de materiales.

Adicionalmente a ver cómo el material cambia sobre el tiempo, entendiendo como funciona involucró mirar el material a escalas que otros no habían examinado: Mientras que muchos análisis han sido realizados al nivel de átomos y moléculas, resultó ser que el fenómeno clave solo podía ser visto a la escala de las mismas nanopartículas, dijo Bazant – muchas miles de veces más grandes. “Es un efecto que depende del tamaño”, dijo.

El profesor de ciencia de materiales del MIT Gerbrand Ceder observó y escribió sobre el comportamiento del litio-ferro-fosfato a altos niveles de corriente el año pasado; ahora, el análisis teórico de Bazant podría llevar a un entendimiento más amplio no solo de este material, sino también de otros que podrían pasar por cambios similares.

Troy Farrel, un profesor asociado de matemáticas en la Universidad Tecnológica de Queensland en Australia, quien no estuvo involucrado en este trabajo, dijo que estos descubrimientos son de gran significado para aquellos que investigan las baterías de litio. Agregó que este nuevo entendimiento “le permite a los científicos de materiales desarrollar nuevas estructuras y compuestos que finalmente lleven a baterías con una mayor duración de vida y una mayor densidad de energía. Esto es requerido si la tecnología de las baterías será utilizada en aplicaciones que demanden mucha energía como vehículos eléctricos”.

Entendiendo por que el litio-ferro-fosfato trabaja tan bien fue “uno de los retos científicos más interesantes que he encontrado”, dijo Bazant. “Tomó cinco años averiguar esto”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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Las regiones ricas en litio y pobres en litio tienden a formar bandas dentro de partículas de fosfato férrico de litio. Imagen: Laboratorio Bazant

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http://web.mit.edu/ (en inglés)

Convirtiendo calor en energía

Un nuevo tipo de cristal fotónico de alta temperatura desarrollado por el MIT podría en el futuro alimentar todo, desde teléfonos celulares hasta naves espaciales.

Par David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).

Un equipo de investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) desarrolló una manera de hacer una versión de alta-temperatura de un tipo de materiales llamados cristales fotónicos, utilizando metales como tungsteno (también llamado wolframio) o tantalio. Los nuevos materiales – que pueden operar a temperaturas de hasta 1,200 grados Celsius – podrían encontrar una amplia variedad de aplicaciones alimentando dispositivos electrónicos portátiles, de naves espaciales a sondas de espacio profundo, y nuevos emisores de luz infrarroja que podrían ser usados como detectores químicos y sensores.

Comparado a los intentos tempranos de hacer cristales fotónicos de alta temperatura, el nuevo acercamiento es “alto rendimiento, más sencillos, robustos y dóciles para la producción barata en gran escala”, dijo Ivan Celanovic, autor principal de una revista académica describiendo el trabajo en la revista científica PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences). Los co-autores de la revista académica fueron los profesores del MIT John Joannopoulos y Marin Soljačić, los estudiantes graduados Yi Xiang Yeng y Walker Chen, el afiliado Michael Ghebrebrhan y el antiguo posdoctorado Peter Bermel.

Estos nuevos cristales fotónicos bidimensionales de alta temperatura pueden ser fabricados casi completamente, utilizando técnicas de microfabricación estándar y equipo existente para manufacturar chips de computadora, dijo Celanovic, un ingeniero investigador el Instituto de Nanotecnologías de Soldado del MIT.

Mientras que hay cristales fotónicos naturales – como los ópalos, cuyos colores iridiscentes resultan de una estructura en capas con una escala comparable a las longitudes de onda de la luz visible – el trabajo actual involucra un material nanodiseñado a la medida para el rango infrarrojo. Todos los cristales fotónicos tienen una celosía (una estructura reticular de barras rectas interconectadas en nudos formando triángulos planos en celosías planas o pirámides tridimensionales en celosías espaciales) de un tipo de material intercaladas con espacios abiertos o un material complementario, para que permitan selectivamente ciertas longitudes de onda de luz que pasen mientras que otras sean absorbidas. Cuando se utilizan como emisores, pueden irradiar selectivamente ciertas longitudes de onda mientras que suprimen fuertemente otras.

Cristales fotónicos que puedan operar a muy altas temperaturas podrían abrir todo un rango de aplicaciones potenciales, incluyendo dispositivos para conversion solar-térmico o solar-químico, dispositivos alimentados por radioisótopos, generadores alimentados por hidrocarbonos componentes para exprimir energía del calor residual en plantas de energía o instalaciones industriales. Pero ha habido mucho obstáculos para crear dichos materiales: Las altas temperaturas pueden llevar a la evaporación, difusión, corrosión, agrietado, derretimiento o reacciones químicas rápidas de las nanoestructuras de los cristales. Para sobreponerse a estos desafíos, el equipo del MIT usó diseño guiado computarizado para crear una estructura de tungsteno de alta pureza, usando un diseño específico geométrico para evitar el daño cuando el material es calentado.

La NASA ha tomado interés en la investigación por su potencial para proveer energía de larga duración para misiones de espacio profundo que no pueden depender de la energía solar. Estas misiones típicamente utilizan generadores termales de radioisótopos (RTGs – radioisotope thermal generators), que recolectan la energía de una pequeña cantidad de material radioactivo. Por ejemplo, el nuevo robot Curiosity que se espera que llegue a marte este verano usa un sistema RTG; será capaz de operar continuamente por muchos años, a diferencia de las sondas alimentadas por energía solar que tienen que agacharse durante el invierno cuando la energía solar es insuficiente.

Otras aplicaciones potenciales incluyen maneras más eficientes de alimentar despositivos electrónicos portátiles. En lugar de baterías, estos dispositivos podrían llevar generadores termofotovoltáicos que producen electricidad de calor que se genera químicamente por microreactores, de un combustible como el butano (el gas que alimenta nuestros hogares). Para un dado peso y tamaño, dichos sistemas podrían permitirle a estos dispositivos operar 10 veces más tiempo del que lo hacen con las baterías actuales, dijo Celanovic.

Shawn Lin, un profesor de física en el Instituto Politécnico Pensselaer que se especializa en tecnología para fabricar circuitos del futuro, dice que la investigación en radiación termal a altas temperaturas “continua retando nuestro entendimiento científico de los diversos procesos de emisión con longitudes de onda pequeñas, y nuestra capacidad tecnológica”, Lin, que no estuvo involucrado en este trabajo, agrega, “este cristal de tungsteno bidimensional en particular es único, ya que es fácil de fabricar y además muy robusto para la operación en altas temperaturas. Este diseño de cristal fotónico debería encontrar aplicaciones importantes en los sistemas solar-térmicos y de conversión de energía.”

Mientras que siempre es difícil de predecir cuanto tiempo le llevará a los avances en ciencias básicas llegar a productos comerciales, Celanovic dice que él y sus colegas ya están trabajando en un sistema de integración y pruebas de aplicaciones. Podría haber productos basados en esta tecnología en tan solo dos años, dijo, y más probablemente dentro de los próximos cinco años.

Adicionalmente al producir energía, el mismo cristal fotónico puede ser utilizado para producir longitudes de onda de luz infrarroja precisamente sintonizados. Esto permitiría análisis espectroscópicos de materiales de alta precisión y llevar a detectores químicos sensibles, dijo.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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Una imagen microscópica de la estructura del cristal fotónico de tungsteno revela el espaciado uniforme preciso de cavidades fomadas en el material, que están sintonizadas a longitudes de onda de luz específicas. Imagen: Y.X. Yeng et al.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Patrón Inspirado En Los Girasoles Incrementa La Eficiencia Al Concentrar La Luz Solar

Justo en las afueras de Sevilla, en la región desértica de Andalucía, España, se siente una visión que parece un oasis: un pilar de 100 metros de alto rodeado por filas de espejos gigantes formando ondulaciones. Más de 600 de estos espejos, cada uno del tamaño de la mitad de una cancha de tenis, siguen al sol a través del día, concentrando sus rayos en la torre central, donde el calor del sol es convertido en electricidad – la suficiente para darle energía a 6,000 hogares.

El amplio lugar, llamado PS10, está entre un pequeño número de plantas de poder solar concentrado (PSC) en el mundo, aunque se espera que el número crezca. Los proponentes del PSC dicen que la tecnología podría generar la suficiente energía limpia y renovable para darle energía a los Estados Unidos enteros, si se cuenta con dos factores: tierra y luz solar.

Ahora investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology- Instituto de Tecnología de Massachusetts), en colaboración con la Universidad RWTH Aachen en Alemania, han creado un diseño que reduce la cantidad de tierra requerida para construir una planta PSC, mientras incrementan la cantidad de luz solar que sus espejos recolectan. Los investigadores encontraron que al reorganizar los espejos, o heliostatos, en un patrón similar a las espirales en la cara de un girasol, podrían reducir la “huella” de los patrones en un 20 por ciento e incrementar su generación de energía potencial. El patrón inspirado en los girasoles permite un acomodo más compacto, y minimiza las sombras en los heliostatos y el bloqueo por espejos cercanos. Los investigadores publicaron sus resultados en el diario “Solar Energy” y recientemente aplicaron por una patente para protección.

Bloqueando una sombra

En PS10 y otras plantas PSC en el mundo, los espejos están acomodados alrededor de una torre central en círculos concéntricos. El espaciado entre espejos es similar a los asientos en un cine, acomodados para que cada dos filas estén alineados. Sin embargo, este patrón resulta en un sombreado más grande del necesario y en bloqueo a través del día, reduciendo el reflejo de la luz desde los espejos hasta la torre.

El equipo del MIT buscó como optimizar los patrones para incrementar la eficiencia total de una planta. Alexander Mitsos, el profesor asistente de Ingeniería Mecánica de Rockwell International, y Corey Noone SM colaboraron con Manuel Torrilhon de RWTH Aachen, donde Mitsos fue un investigador antes de unirse al MIT.

El laboratorio de Mitsos desarrolló un modelo computacional para evaluar la eficiencia de los diseños de heliostat. El modelo divide cada espejo en secciones discretas y calcula la cantidad de luz que cada sección refleja en todo momento dado. Los investigadores probaron entonces el modelo en una planta PSC de escala comercial existente. Noone y Mitsos corrieron las dimensiones de los espejos de la planta PS10 a través del modelo, determinando la eficiencia total de la planta. El grupo encontró que la planta PSC experimenta una cantidad significativa de sombreado y bloqueo cada día a pesar de el acomodo esparcido de sus espejos.

Acomodando en espiral

Para incrementar la eficiencia teórica de la planta, Noone y Mitsos movieron los patrones de los heliostatos, usando optimización numérica para primero acercar más el acomodo. Este acomodo más angosto, según calculó el modelo, redujo la cantidad de tierra que los espejos ocupaban alrededor de 10 por ciento sin afectar la eficiencia de los espejos al reflejar la luz. El patrón resultante tenía algunos elementos en espiral similar a los acomodos en la naturaleza.

Entonces, el equipo del MIT, trabajando con Torrilhon, buscó inspiración en la naturaleza – específicamente, en el girasol. Las florecillas de un girasol están acomodadas en un patrón espiral, conocido como Espiral de Fermat, que aparece en muchos objetos naturales y ha fascinado por mucho tiempo a los matemáticos: Los antiguos Griegos incluso aplicaron los patrones a edificios y otras estructuras arquitectónicas. Los matemáticos encontraron que cada girasol está girado en un “ángulo dorado” – alrededor de 137 grados – con respecto a su florecilla vecina.

Los investigadores diseñaron un campo en espiral con sus heliostatos reacomodados para parecer un girasol, con cada espejo con un ángulo de alrededor de 137 grados relativo a su vecino. El acomodo optimizado numéricamente toma 20 por ciento menos espacio que el acomodo del PS10. Además, el patrón en espiral reduce el sombreado y el bloqueo e incrementó la eficiencia total comparada con el acomodo disperso radialmente del PS10.

Mitsos dijo que acomodando una planta PSC en este patrón en espiral podría reducir la cantidad de tierra y el número de heliostatos necesitados para generar una cantidad equivalente de energía, lo que podría resultar en ahorros significativos. “La energía termal solar concentrada necesita areas enormes“, dijo Mitsos. “Si estamos hablando de llegar a un 100 por ciento o hasta un 10 por ciento de energía renovable, necesitaremos áreas enormes, así que es mejor usarlas eficientemente“.

Frank Burkholder, un ingeniero con el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, dijo que para los caros campos de heliostatos, el modelo de Mitsos tiene el potencial de generar la misma cantidad anual de energía tomando “mucha menos” área terrestre.

“El campo de heliostatos contribuye actualmente con alrededor de un tercio del costo directo de la mayoría de las plantas PSC“, dijo Burkholder, quien no estuvo involucrado en el estudio. “Por que los heliostatos son costosos, su espaciado relativo entre ellos y la torre es importante. Si no se tiene cuidado con su acomodo, puede sombrearse y bloquearse entre ellos y reducir la cantidad de energía provista significativamente“.

Fuente:
http://web.mit.edu/ (en inglés)

El presupuesto energético de los microorganismos

Todos los organismos vivientes balancean un cierto tipo de presupuesto – asignando energía a diversas partes de su cuerpo para sustentar los procesos esenciales para la vida. A través de su vida, un organismo puede re-balancear este presupuesto para gastar más energía en unos ciertos procesos que en otros. De acuerdo a cómo gasta un organismo su energía determina, en gran parte, su habilidad para sobrevivir en el mundo, investigadores que estudian “bioenergética” están modelando el uso de energía en organismos para entender como las poblaciones crecen y evolucionan.

Investigadores en el MIT (Massachusetts Institute of Technology) han elaborado un modelo de cómo la energía es gastada en los organismos más pequeños y más simples de la tierra, que van desde bacterias unicelulares a microbios multi-celulares. El modelo divide los posibles usos de energía de un organismo en dos amplias categorías: crecimiento y reproducción, y mantenimiento y reparación. Basados en el tamaño de un organismo dado, el modelo predice precisamente que fracción de la energía es gastada en cada categoría.

Los científicos dicen que esta información podría ser crucial para determinar como las poblaciones de bacterias y otros microbios crecen y se esparcen en los océanos y en el suelo. El modelo también le ayuda a los investigadores a interpretar cambios evolutivos mayores: Conforme los microbios evolucionen para volverse más complejos, lo más probable es que reharán el presupuesto de energía para soportar nueva maquinaria celular.

Los investigados publicaron sus resultados en la edición del 26 de diciembre de “Proceedings of the National Academy of Sciences” (Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias).

Mick Follows, coautor de la revista académica y un científico investigador en el Departamento de las Ciencias Terrestres, Atmosféricas y Planetarias del MIT, dice que todos los organismos, en algún punto, enfrentan la decisión de reparar o reproducirse, algunos invierten más energía en un proceso que en el otro.

“Puedes imaginarte que una estrategia vital para un organismo podría ser: ‘No voy a gastar nada en mantenimiento, solo voy a reproducirme tan rápidamente como sea posible y espero hacer tantas copias de mí que algunas de ellas lo lograrán,'” dice Follows. “Y la estrategia opuesta es, ‘Bueno, voy a invertir menos en reproducción, y realmente cuidarme y mantenerme en una buena condición y no morir si puedo evitarlo.'”

El estudiante graduado de Follows, Christopher Kempes desarrolló un modelo matemático que predice, ampliamente, cómo los microbios reparten la energía. Kempes creó ecuaciones que representan que tan rápido crece un microbio dado, así como la cantidad total de comida que un organismo puede convertir en energía. El equipo, junto con la científica investigadora Stephanie Dutkiewicz, compilaron los datos de otros investigadores que midieron el peso de varios microbios sobre su tiempo de vida, incluyendo bacterias unicelulares y pequeños camarones multi-celulares.

El equipo del MIT combinó los datos con sus ecuaciones, y encontró algunos patrones interesantes entre los microbios.

Para el microbio de los intestinos Escherichia coli (E. Coli), casi cada onza de energía se gasta en la reproducción. A través de su vida, una sola bacteria E. Coli crece y se divide continuamente, colonizando rápidamente un conducto estomacal o una placa de petri con millones de células simples. La ligeramente más compleja alga verde exime una trayectoria similar, reproduciéndose hasta el final antes de re-enfocar su energía hacia dentro, en procesos que mantienen la maquinaria celular. En Contraste, los pequeños crustáceos milimétricos están más auto-involucrados, gastando la mayoría de su vida manteniendo complejos componentes antes de gastar energía en reproducción.

La tendencia general, dice Follows, parece ser que mientras más grande y más complejo es un organismo, más energía gasta buscando mantenerse a sí mismo, o reparando estructuras internas. Los organismos más pequeño y simples se enfocan más en crecer y proliferar, contando en sus grandes números para incrementar sus posibilidades de supervivencia.

“Puedes darte una idea de como vas a partir de células muy sencillas que pueden crecer rápido,” dice Follows. “Conforme agregan maquinaria, invierten más en mantenimiento. Y entonces en cierto punto, la estrategia también se vuelve muy intensiva en términos de energía. Pero en ese punto, la multicelularidad te permite compartir energía y recursos con otras células.”

Estas tendencias, especula el equipo, podría reflejar los amplios cambios evolucionarios entre las procariotas (organismos que no tienen un núcleo u orgánulos pegados a las membranas) unicelulares como la E. coli, procariotas más complejas como las algas verdes, y organismos multi-celulares simples como los pequeños camarones. A través de su modelo, los investigadores pueden determinar el tamaño más pequeño de los organismos simples, basados en como usan su energía, así como el tamaño al cual los organismos evolucionan para volverse multi-celulares.

“Esas transiciones evolucionarias ocurren en nuestro modelo en etapas muy predecibles,” dice Kempes. “Esas transiciones permiten a los organismos volverse más grandes, y esa es la historia de como la vida se volvió tan compleja.”

Steven Allison, un profesor asistente de ecología y biología evolucionaria en la Universidad de California en Irvine, dice que el nuevo modelo del grupo puede ser usado para evaluar cómo todos los organismos, grandes y pequeños, gastan energía.

“La innovación clave aquí es que el uso de energía y recursos de los microbios puede cambiar a través de sus ciclos de vida,” dice Allison. “Estas diferencias no han sido apreciadas antes. Esto significa que podría ser posible predecir la tasa de crecimiento de la población basada en el tamaño de las células y su tipo.”

El equipo planea incorporar el modelo matemático para la energía de un solo organismo en modelos de poblaciones a gran escala. Follows dice que conociendo cómo un solo organismo reparte la energía podría ayudar a investigadores a modelar de manera más precisa cómo los microbios se dispersan a través de un entorno. Por ejemplo, si un científico construye un modelo para representar bacterias en el océano, la población podría verse muy diferente dependiendo de si el investigador programa las bacterias a gastar toda su energía en reproducción o en reparación.

“En cierto sentido, los modelos actuales de Fitoplancton (organismos con capacidad fotosintética que viven dispersos en el agua) en el océano no usan este tipo de información,” dice Follows. “Necesitamos mejorar esos modelos.”

Fuente:
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Laboratorio Nacional de Energías Renovables crea células solares más eficientes, utilizando 50% menos energía

Investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL National Renewable Energy Laboratory), dieron a conocer su nuevo descubrimiento acerca de cómo crear células fotovoltaicas más eficientes, utilizando 50% menos energía. Esta técnica depende de un nuevo horno óptico que utiliza luz intensa sobre el silicio para hacer células solares, en vez del calor como lo hace un horno convencional. Este novedoso horno utiliza cerámica altamente reflejante y resistente al calor, para garantizar que la luz sea absorbida por una oblea de silicio y no por las paredes dentro del horno.

La energía solar es uno de los métodos más limpios de energía alternativa disponible, pero el proceso de fabricación consume bastante energía. El nuevo método de NREL no solo reduce la energía necesaria para fabricar las células solares, sino que las hace más eficientes pues los paneles del horno se calientan con los sustratos de silicio; este es calentado a 1000°C, con potentes luces que utilizan la mitad de energía de un horno convencional, y al mismo tiempo se eliminan las impurezas del silicio.

Al reducir el costo de producción de los paneles solares, será más fácil que el público en general adopte esta tecnología. Esperemos que este nuevo descubrimiento sea lanzado lo mas pronto posible, para que todos podamos beneficiarnos con energía más barata y verde.

Fuente:
http://inhabitat.com/ (en inglés)

El primer generador eólico flotante

WindFloat será el primer generador de este tipo en aprovechar los vientos sobre las superficies marinas y lo están construyendo en conjunto las empresas Energías de Portugal y Principle Power de Estados Unidos.

Según información de las empresas este modelo será el primer generador eólico flotante del mundo y un conjunto de estos serán instalados a 350 kilómetros de la costa de Portugal, tendrá una capacidad de 2 MW y su línea de transmisión será a través de cables submarinos.

Estas turbinas serán ensambladas en tierra y luego remolcadas a su sitio de trabajo. Las reparaciones menores serían en el mismo sitio de ubicación y para las mayores habría que remolcarlos a la planta de ensamblaje. Además de ser una energía limpia por cuidar el medio ambiente, habrá un considerable ahorro al evitar costosas cimentaciones que los generadores eólicos requieren en tierra.

Fuente:
http://www.renewableenergyworld.com/ (en inglés)