Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

¿Una nueva fuente de energía renovable?: la infrarroja

Caroline Perry es la redactora de una noticia emitida por la prestigiosa Universidad de Harvard, describiendo los resultados de investigaciones realizadas por físicos de esa Universidad proponiendo el uso de dispositivos que podrían recolectar la energía infrarroja (calor) que la Tierra emite hacia el espacio exterior y convertirla directamente en electricidad: http://www.seas.harvard.edu/news/2014/03/new-renewable-energy-source.

¿Una nueva fuente de energía renovable?: la infrarroja
Los físicos de Harvard Federico Capasso (izquierda), Steven J. Byrnes (derecha) y Romain Blanchard p
Caroline Perry es la redactora de una noticia emitida por la prestigiosa Universidad de Harvard, describiendo los resultados de investigaciones realizadas por físicos de esa Universidad proponiendo el uso de dispositivos que podrían recolectar la energía infrarroja (calor) que la Tierra emite hacia el espacio exterior y convertirla directamente en electricidad: http://www.seas.harvard.edu/news/2014/03/new-renewable-energy-source.
 
Traducción automática, con modificaciones (Bing):
 
Cuando el sol se pone en un remoto horizonte del desierto y los paneles solares no son operativos, ¿qué fuente de energía proporcionará energía durante la noche? ¿Una batería, tal vez, o un viejo generador diesel? Tal vez sea algo extraño y nuevo.
 
Los físicos de la  Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) imaginan un dispositivo que podría cosechar energía de las emisiones infrarrojas de la tierra hacia el espacio exterior.
 
Calentado por el sol, nuestro planeta está caliente en comparación con el frígido vacío exterior. Gracias a los recientes avances tecnológicos, según los investigadores, ese desequilibrio térmico podría transformarse directamente en una corriente eléctrica (DC), aprovechando así una fuente de energía enorme y sin explotar hasta la fecha.
 
Esta semana se publicará en la prestigiosa revista Proceedings of the National Academy of Sciences  un artículo conteniendo su análisis de la termodinámica del proceso, y los correspondiente  requisitos prácticos y  tecnológicos.
 
“En principio, no es completamente obvio, cómo se puede  generar la electricidad como consecuencia de  la emisión de la luz infrarroja en el espacio hacia el frío,” ha dicho el investigador principal  Federico Capasso,  que ocupa la cátedra L. Robert Wallace de Física aplicada y disfruta de la ayuda senior avanzada Vinton Hayes de ingeniería SEAS de Harvard. “Generar energía mediante la emisión, no mediante la absorción de la luz, es lo raro. Tiene sentido físicamente cuando se piensa en ello, pero parece contraintuitivo. Estamos hablando sobre el uso de la física a nivel de nanoescala para una aplicación completamente nueva.”
 
DESAFIO
 
Capasso es un experto mundialmente reconocido en la física de semiconductores, fotónica y electrónica de estado sólido. Co-inventor del láser infrarrojo cuántico en cascada, en 1994, fue pionero en el campo de la conocida como  ingeniería “bandgap” y describió un esquivo fenómeno electrodinámico cuántico  llamado la fuerza repulsiva de Casimir, trabajo por el cual ha recibido la Medalla de Oro SPIE,  el Premio de la Sociedad Europea de Física  de Electrónica cuántica y Óptica  y el premio Jan Czochralski por los logros de toda una vida. Su equipo de investigación parece estar especializado en cuestionar rigurosamente las suposiciones de otros físicos sobre óptica y electrónica.
 
“El IR medio ha sido, en gran medida, una parte olvidada del espectro,” dice Capasso. “Incluso para espectroscopia, hasta que surgió el láser de cascada cuántica, el IR medio era considerado como una zona difícil de trabajo. La gente simplemente parecía tener puestas unas anteojeras.”
 
Ahora, Capasso y su equipo de investigación lo que proponen es algo parecido a un panel solar fotovoltaico, pero en lugar de captar la luz visible entrante, el dispositivo podría generar energía eléctrica al liberar luz infrarroja.
 
“La luz del sol tiene energía por lo que el aprovechamiento  fotovoltaico tiene sentido; se está recolectando la energía. Pero no es tan simple, y la captación de energía de la emisión de luz infrarroja es menos intuitiva,” dice el investigador principal Steven J. Byrnes  que disfruta de una ayuda postdoctoral del SEAS. “No es obvio cuánta energía se podría generar de este modo, o si vale la pena seguir, hasta que uno se sienta y hace los cálculos.”
 
El resultado es que la potencia sería modesta pero real.
 
Byrnes señala que “el dispositivo podría acoplarse con una célula solar, por ejemplo, para obtener energía extra durante la noche, sin coste adicional de la instalación.”
 
Dos dispositivos — uno macro, un nano
 
Para mostrar el abanico de posibilidades, el grupo de Capasso sugiere dos diversas clases de cosechadoras de energía emisiva: uno semejante a un generador de energía solar térmica y otro que es análogo a una célula fotovoltaica. Ambos funcionarían reversiblemente
 
El primer tipo de dispositivo consistiría en una placa “caliente” a la temperatura de la tierra y el aire, con un plato “frío” en lo alto. La placa fría, hacia arriba, estaría constituida un material altamente emisivo que se enfría al radiar calor hacia el cielo muy eficientemente. Basado en las mediciones realizadas de las emisiones infrarrojas en Lamont, Oklahoma, los investigadores calculan que la diferencia de calor entre las placas podría generar unos pocos vatios por metro cuadrado, día y noche. Sería difícil mantener la placa “en frío” más fresca que la temperatura ambiente, pero este dispositivo ilustra el principio general: las diferencias en temperatura generan trabajo 8energía).
 
“Este enfoque es bastante intuitivo porque estamos combinando los principios familiares de máquinas y motores térmicos y  de enfriamiento radiativo,” dice Byrnes.
 
La segunda propuesta de dispositivo se basa en las diferencias de temperatura entre los componentes electrónicos a nanoescala — diodos y antenas — en lugar de diferencias de temperatura perceptibles fácilmente con la mano.
 
“Si tienes dos componentes a la misma temperatura, obviamente no puede extraer cualquier trabajo, pero si tienes dos temperaturas diferentes si es posible,” dice Capasso. “Pero es difícil; en el plano de los comportamientos de electrones, la explicación es mucho menos intuitiva”.
 
 “Encontramos que diseños parecidos habían sido considerado antes para otra aplicación, como en 1968 por J.B. Gunn, el inventor del diodo Gunn utilizado en los radares de la policía  pero fueron completamente olvidados “
 
En pocas palabras, los componentes de un circuito eléctrico espontáneamente pueden lanzar corriente en cualquier dirección; Esto se denomina ruido eléctrico. Los diagramas de Gunn muestran que si un componente eléctrico tipo válvula llamado diodo está a una temperatura más alta que un resistor, empujará la corriente en una sola dirección, produciendo una tensión positiva. El grupo de Capasso sugiere que el papel de la resistencia podría ser interpretado por una antena microscópica que emite muy eficientemente la radiación infrarroja de la tierra hacia el cielo, el enfriamiento de los electrones es una parte del circuito.”  El resultado, dice  Byrnes, es que “se obtiene una corriente eléctrica directamente del proceso de radiación, sin el paso intermedio del enfriamiento de un objeto macroscópico.”
 
Según la investigación realizada  un único dispositivo plano podría cubrir muchos de esos pequeños circuitos, apuntando al cielo y  ser utilizado para generar energía.
 
Retos tecnológicos y promesas
 
El enfoque optoelectrónicos, podría ser factible a la luz de los recientes avances tecnológicos: avances en plasmónica, en la pequeña escala electrónica, en  nuevos materiales como el grafeno y procesos como la nanofabricación. El equipo de Harvard dice que un mérito de sus investigaciones es que sierven para clarificar los desafíos pendientes.
 
” Muchas personas han estado trabajando en diodos infrarrojos por lo menos durante  50 años sin mucho progreso, pero los recientes avances como la nanofabricación son esenciales para que esos trabajos puedan ser ahora mejores, más escalables y más reproduciblse,” dice Byrnes.
 
Sin embargo, incluso con diodos infrarrojos modernos y mejores, hay un problema. “Cuanto más potencia fluye a través de un circuito, es más fácil conseguir que los componentes se comporten adecuadamente. En el caso de emisiones infrarrojas, la tensión será relativamente baja,” explica Byrnes. “Eso significa que sería muy difícil crear un diodo infrarrojo que funcionase bien”.
 
Por ello, ingenieros y físicos, incluyendo a Byrnes, están estudiando nuevos tipos de diodos que pueden manejar voltajes más bajos, como los diodos túnel y diodos balísticos. Otro enfoque sería aumentar la impedancia de los componentes del circuito, aumentando la tensión a un nivel más práctico. La solución podría requerir la participación de ambos enfoques, predice Byrnes.
 
La velocidad presenta otro desafío. “Sólo una clase selecta de diodos pueden encender y apagar 30 billones de veces por segundo, que es lo que necesitamos para las señales infrarrojas,” dice Byrnes. “Tenemos que considerar las exigencias de velocidad al mismo tiempo que nos ocupamos de los requerimientos de voltaje y de la impedancia”.
 
“Ahora que entendemos las restricciones y las  especificaciones,” añade Byrnes , “estamos en una buena posición para conseguir una solución”.