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Producción de hidrógeno de bajo costo a partir de luz y agua

Investigadores de Stanford publican en Science nuevos materiales que pueden contribuir a reducir el costo de producir combustible con energía solar

Aumentando la resistencia de un material solar fotovoltaico, es posible que los investigadores hayan encontrado una forma de lograr que la fotosíntesis artificial —es decir, usar la luz del sol para fabricar combustible— sea lo suficientemente barata como para poder competir con los combustibles fósiles.

Si quieres hidrógeno para dar energía a un motor o una pila de combustible, es mucho más barato conseguirlo del gas natural que dividiendo moléculas de agua. Sin embargo, según el departamento de Energía de Estados Unidos, la energía solar podría competir con el gas natural como método para producir hidrógeno si los procesos solares tuvieran una eficiencia de entre el 15% y el 25%. A pesar de que eso es el doble de lo que se logra con los métodos actuales, hace poco investigadores de la Universidad de Stanford (EEUU) han desarrollado materiales que podrían servir para alcanzar ese objetivo. El trabajo se describe en la revista Science.

Una forma de fabricar hidrógeno mediante la luz del Sol es usar un panel solar para producir electricidad y después usar esa electricidad para poner en marcha un electrolizador comercial que divide el agua, dando lugar a hidrógeno y oxígeno. Combinar el panel solar y el electrolizador en un único dispositivo podría ser más barato y más eficiente. Los electrones que se producen cuando la luz choca contra un material fotovoltaico servirían para facilitar las reacciones químicas, y el costo de capital de una sola máquina seguro que sería menor que el de dos [1] [2].

Desde hace algún tiempo, los investigadores saben que se podría alcanzar una eficiencia del 15%-25% si se combinan dos materiales de célula solar en un sistema de estas características. Una célula solar dará energía a la mitad de la reacción para dividir el agua, formando hidrógeno. La otra podría formar oxígeno.

La parte del hidrógeno ya está bastante resuelta, pero los investigadores han tenido problemas con la del oxígeno. Los materiales más eficientes para esta reacción (el silicio, por ejemplo) se oxidan rápidamente. Los investigadores de Stanford han descubierto que pueden conseguir que el silicio dure días y no sólo unas horas sin oxidar si lo cubren con una capa protectora de zinc de apenas medio milímetro. Así, los materiales dividieron moléculas de agua durante tres días antes de que los investigadores detuvieran el experimento para examinarlos en busca de daños. No hallaron ninguno.

Otros materiales, como los óxidos de metal por ejemplo, pueden durar el mismo tiempo pero dividen el agua muy despacio. Los nuevos materiales son un orden de magnitud más rápidos, según el investigador del Laboratorio Nacional de Energías Renovables en Golden, Colorado (EEUU), John Turner. «Más de 40 años de trabajo con óxidos no han dado lugar a resultados como estos», afirma.

Aún puede pasar un tiempo antes de que los materiales se usen en la producción comercial de hidrógeno. Para lograr las eficiencias necesarias, todavía hay que incorporar los materiales en un sistema que usa dos células solares. Y una gran duda aún por resolver es cuánto durarán estos materiales. Para resultar económico, el sistema tendría que poder funcionar al menos durante cinco años, según Turner.

Una ‘hoja artificial’ más verde

Un nuevo dispositivo ofrece ventajas distintivas sobre los anteriores intentos de mejorar la fotosíntesis natural

La fotosíntesis, la forma natural de convertir la luz del sol en combustible, ocurre a nuestro alrededor, desde las hojas de un árbol hasta la más pequeña brizna de hierba. Sin embargo, encontrar una manera de imitar esta habilidad de forma barata y eficiente ha confundido a los ingenieros durante décadas.

En la actualidad, los investigadores han dado un paso adelante hacia la consecución de esta difícil hazaña, gracias a un dispositivo que resulta aún más eficiente que la fotosíntesis natural y depende de materiales abundantes y de bajo coste.

Las células solares convencionales producen electricidad cuando un material fotovoltaico es expuesto a la luz. El nuevo dispositivo da un paso más, usando la electricidad resultante de dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, que puede ser almacenada y utilizada para generar electricidad a través de una célula de combustible.

El nuevo dispositivo aún está en su fase inicial de desarrollo de laboratorio, y siguen existiendo retos importantes antes de que pueda ser comercializado.

Daniel Nocera, profesor en el MIT, reveló los detalles preliminares del dispositivo, al que él se refiere como la primera «hoja artificial» práctica, en la reunión nacional de la Sociedad Química Americana en California el 27 de marzo. El dispositivo combina una célula solar ya disponible en el mercado con un par de catalizadores de bajo coste de cobalto y níquel que dividen el agua en oxígeno e hidrógeno. Utilizando este enfoque, un panel solar de aproximadamente un metro cuadrado, bañado en agua, podría producir hidrógeno suficiente para abastecer una casa en un país en desarrollo con electricidad para el día y la noche, afirma Nocera.

Usando una célula solar de película delgada de silicio capaz de convertir la energía en luz con una eficiencia del 7 por ciento, Nocera asegura que su grupo logró un cinco por ciento de eficiencia en la conversión de la luz solar en hidrógeno. La fotosíntesis natural tiene una eficiencia menor al 1 por ciento en la conversión de luz solar en energía.

El dispositivo no es el primero en tratar de mejorar la fotosíntesis natural. Sin embargo, sí ofrece claras ventajas sobre los dispositivos anteriores, que o bien utilizan costosos catalizadores de metales preciosos para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, o realizan la división de agua indirectamente con un dispositivo independiente, que es menos eficiente y más costoso.

El dispositivo de Nocera es el primero en usar materiales de catalizador baratos y abundantes incorporados a una célula solar. «Tenemos un trozo de silicio cubierto con catalizadores que se puede poner en un vaso de agua, y comienza a dividir el agua en hidrógeno y oxígeno», explica.

El dispositivo es posible gracias a diversos avances recientes. En primer lugar, Nocera desarrolló un catalizador de cobalto capaz de separar el oxígeno del agua en 2008, aunque el catalizador no podía aplicarse directamente al silicio, ya que podría bloquear la luz solar entrante. Para su nuevo dispositivo, Nocera aplicó una capa delgada de cobalto al silicio que bloquea sólo del 2 al 3 por ciento de la luz entrante. Antes de aplicar el catalizador, recubrió el silicio con una fina membrana que lo protege de la oxidación, pero permite que la corriente eléctrica pase a través de él.

Una iniciativa de fotosíntesis artificial echa raíces

Un centro de innovación valorado en 122 millones de dólares (93 millones de euros) podría acelerar el desarrollo de dispositivos para la fabricación de combustible a partir de agua y luz solar

Al tiempo que se produce un acalorado debate sobre el papel del Gobierno de Estados Unidos en la financiación de la innovación energética, provocado por los prominentes fracasos de compañías con respaldo gubernamental como Solyndra y A123 Systems, una estrategia de inversión federal en tecnología limpia menos controvertida ha estado funcionando a buen ritmo y de forma discreta, consiguiendo un apoyo bipartidista. Los llamados centros de innovación, es decir, centros multidisciplinarios de investigación diseñados para emular los a legendarios Laboratorios Bell mediante la combinación de investigación científica con tecnología aplicada, han logrado obtener financiación continua del Gobierno incluso en una época en la que el Congreso de EE.UU. trabaja para recortar el presupuesto federal total.

Dos años después de obtener financiación por primera vez, uno de los centros actuales, una iniciativa de Caltech (Instituto de Tecnología de California, en EE.UU.) centrada en el uso de luz solar para producir combustibles líquidos, afirma haber conseguido un progreso sustancial hacia dispositivos capaces de convertir la luz del sol y el agua en oxígeno e hidrógeno. Este podría utilizarse para proporcionar energía a un automóvil o generar electricidad de acuerdo a la demanda. Con el tiempo, los investigadores esperan poder combinar el hidrógeno con el carbono del dióxido de carbono para producir combustibles líquidos similares a la gasolina o el diésel.

Los investigadores han estado persiguiendo lo que se conoce como fotosíntesis artificial durante décadas. El progreso ha sido lento, y hacer que el proceso sea económico a gran escala sigue siendo un objetivo aparentemente distante. El nuevo centro de innovación, que recibiría 122 millones de dólares (93 millones de euros) a lo largo de cinco años, planea acelerar esta investigación, reuniendo a un gran número de expertos en diferentes áreas, entre ellas la catálisis, la óptica y la tecnología de membranas.

Para acelerar el descubrimiento de materiales, los investigadores del centro Caltech, que colaboran con investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence en Berkeley (EE.UU.) y con más de 20 centros de investigación distintos, han desarrollado un proceso de impresión por chorro de tinta capaz de generar millones de variaciones ligeramente diferentes de prometedores catalizadores. Cada muestra puede llegar a ser tan pequeña como el píxel de una pantalla. También están desarrollando equipos capaces de poner a prueba rápidamente la actividad de cada catalizador. «Acelerará radicalmente el ritmo de descubrimiento de electrocatalizadores y fotocatalizadores para pasar de tener solo algunos candidatos al año a tener varios cada pocos milisegundos, produciendo miles de millones al día», señala Nate Lewis, director del Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial.

Al mismo tiempo, el centro ha instalado impresoras avanzadas en 3D capaces de crear prototipos de dispositivos para albergar los materiales absorbentes de luz y los catalizadores, aplicarles agua y separar y recoger el hidrógeno y el oxígeno. Hasta ahora, los investigadores han construido dos prototipos de este tipo capaces de producir combustible a partir de la luz solar, aunque aún no económicamente. El plan es poseer por lo menos cuatro o cinco versiones diferentes de los dispositivos, cada una con distintas fortalezas y debilidades. Los investigadores quieren tener múltiples versiones, ya que no se puede predecir dónde se producirá el siguiente avance en materiales.

La idea de desarrollar nuevas tecnologías energéticas en los centros de innovación es muy diferente del enfoque de ayudar a las empresas a aumentar su producción a través de subvenciones o garantías de préstamo, tal y como hizo el Departamento de Energía de EE.UU. en el caso del A123 y Solyndra. También es muy distinto de financiar proyectos de investigación a través del programa ARPA-E, cuyo objetivo es conseguir avances específicos a un laboratorio o empresa, como el descubrimiento de un nuevo material prometedor, y demostrar su potencial en tres años, por ejemplo, mediante la construcción de una batería funcional con ese material.

Los centros de innovación reúnen a investigadores de diferentes grupos con el objetivo de crear grandes avances para problemas en los que se lleva trabajando desde hace tiempo. Trabajan a muchos niveles diferentes, haciendo de todo, desde descubrir nuevos materiales y estudiar cuidadosamente la forma en que funcionan, así como diseñar y construir dispositivos que podrían utilizar dichos materiales. Mientras ARPA-E otorga subvenciones a cada proyecto valoradas en unos pocos millones de dólares, está previsto que cada centro de innovación reciba más de cien millones de dólares en cinco años como reconocimiento de la gran escala de los problemas que abordan.

Hasta el momento han sido financiados cinco centros, pero la financiación a lo largo de cinco años no está garantizada. El dinero tiene que ser asignado cada año y el presupuesto para el próximo no ha sido aprobado. Aunque los correspondientes comités del Senado y la Cámara de Representantes apoyan la financiación continua durante cinco años, el Congreso se enfrenta a una creciente presión por encontrar partidas donde recortar gastos.

Fuente: Technology Review. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Un dispositivo convierte la energía «perdida» en el aire en energía eléctrica

Celdas de metamateriales diseñadas por los ingenieros de Duke proporcionan energía eléctrica a partir de las radiaciones electromagnéticas en el ambiente con tanta eficiencia como los paneles solares

Utilizando materiales de bajo costo configurados y ajustados para captar señales de microondas, investigadores de la Escuela Pratt de Ingeniería de la Universidad de Duke han diseñado un dispositivo de recolección de energía con eficiencia similar a la de los paneles solares modernos.

El dispositivo convierte las señales inalámbricas de microondas a voltaje de corriente continua capaz de recargar una batería de teléfono celular u otro dispositivo electrónico pequeño, según un informe que se publicará en la revista Applied Physics Letters en diciembre de 2013. (Y que ahora está disponible en línea.)


Este conjunto de 5 celdas de metamaterial desarrolladas en la Duke University tienen una eficiencia de recolección de energía de 36,8 por ciento, comparable a una célula solar. Crédito: Duke University

El sistema funciona en base a un principio similar al de los paneles solares, que convierten la energía luminosa en energía eléctrica. Pero esta versátil cosechadora de energía puede ser sintonizada para recoger la señal de otras fuentes de energía, incluidas las señales de satélite, las señales sonoras o las señales de Wi-Fi, dicen los investigadores.

La clave para la cosechadora de energía reside en que aplica metamateriales, estructuras de ingeniería que pueden capturar diferentes formas de energía de las ondas y sintonizarlas para aplicaciones útiles.

El estudiante de pregrado de ingeniería Allen Hawkes, trabajando con el estudiante graduado Alexander Katko y el investigador principal Steven Cummer, profesor de ingeniería eléctrica e informática, diseñaron un circuito eléctrico capaz de cosechar microondas.

Se utilizó una serie de cinco conductores de energía de cobre y fibra de vidrio conectados entre sí en una placa de circuito para convertir microondas en 7,3V de energía eléctrica. En comparación, los cargadores de bus serie universal (USB) para pequeños dispositivos electrónicos proporcionan alrededor de 5V de voltaje.




«Nosotros estábamos buscando la mayor eficiencia energética que podíamos lograr», dijo Hawkes. «Hemos estado obteniendo una eficiencia energética de alrededor del 6 al 10 por ciento, pero con este diseño hemos podido mejorar dramáticamente la conversión de energía a un 37 por ciento, que es comparable a lo que se consigue en las células solares.»

«Se puede utilizar este diseño para una gran cantidad de frecuencias y tipos de energía diferentes, como la vibración y el aprovechamiento de la energía de sonido», dijo Katko. «Hasta ahora, mucho del trabajo con metamateriales ha sido teórico. Estamos demostrando que con un poco de trabajo, estos materiales pueden ser útiles para aplicaciones de consumo.»

Por ejemplo, se podría aplicar una capa de metamaterial en el techo de una habitación para reorientar y recuperar la señal de Wi-Fi [interna] que de otra manera se perdería, dijo Katko. Otra aplicación podría ser mejorar la eficiencia energética de los aparatos recuperando la energía inalámbrica que se ha perdido durante el uso.

«Las propiedades de los metamateriales permiten una flexibilidad de diseño que no es posible con dispositivos comunes, como las antenas», dijo Katko. «Cuando las antenas tradicionales están cerca una de otro en el espacio se comunican entre sí e interfieren en el funcionamiento de cada una de ellas. El proceso de diseño utilizado para crear nuestro arreglo de metamateriales toma en cuenta estos efectos, lo que permite que las celdas trabajen juntas.»

Los investigadores dijeron que, con modificaciones adicionales, el metamaterial de recolección de energía podría ser incorporado en un teléfono celular, lo que le permitía recargarse sin cables mientras no esté en uso. Esta característica podría, en principio, permitir que las personas que viven en lugares que no tienen acceso a una toma de corriente convencional obtengan energía a partir de una torre de telefonía celular cercana al lugar.

«Nuestro trabajo demuestra un método sencillo y de bajo costo para la recolección de energía electromagnética», dijo Cummer. «La belleza del diseño es que los bloques de construcción básicos son autocontenidos y adicionables. Simplemente se puede montar más bloques para aumentar el poder que se cosecha.»

Por ejemplo, se podría montar una serie de bloques de captación de potencia para capturar la señal de un conjunto conocido de satélites que pasan por encima, explican los investigadores. La pequeña cantidad de energía generada a partir de estas señales podría alimentar una red de sensores en un lugar remoto, como la cima de una montaña o en el desierto, lo que permite la recopilación de datos en un estudio a largo plazo que toma mediciones infrecuentes.

La investigación fue apoyada por la Iniciativa de Investigación de la Universidad Multidisciplinaria de la Oficina de Investigación del Ejército de EEUU (Contrato No. W911NF-09-1-0539).

Publicación de referencia: «A microwave metamaterial with integrated power harvesting functionality», Allen M. Hawkes, Alexander R. Katko y Steven A. Cummer, Applied Physics Letters 103, 163901 (2013), doi:. 10.1063/1.4824473

Fuente: EurekAlert. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Fusión del boro con dos láseres abre camino a la generación de energía sin radiación

El impacto de protones en los núcleos de boro produce energías mucho mayores. La fusión en laboratorio de protones y núcleos de boro genera energía sin producir radiación de neutrones

Los científicos han estado trabajando durante décadas para aprovechar la fuente de energía de las estrellas, la fusión de núcleos ligeros para formar otros más pesados bajo enormes presiones y temperaturas. La fusión libera grandes cantidades de energía, que podría ser usada algún día para alimentar redes eléctricas gigantescas. Pero los sistemas de laboratorio que parecen más prometedores producen radiación en forma de neutrones a gran velocidad, y éstos representan un peligro para la salud, por lo que se requiere un pesado blindaje, e incluso degrada las paredes del reactor de fusión.

Ahora los físicos han producido fusión a un ritmo acelerado en el laboratorio sin generar neutrones dañinos. Un equipo dirigido por Christine Labaune, directora de investigación del Laboratorio CNRS para el uso de láseres intensos en la Ecole Polytechnique de Palaiseau, Francia, utiliza un sistema de dos láseres para fundir entre sí protones y núcleos de boro-11. Un láser calienta los átomosde boro para crear un plasma de corta duración, un gas altamente ionizado de núcleos de boro, y el otro láser genera un haz de protones que rompe los núcleos de boro, liberando partículas de helio de movimiento lento, pero no neutrones. Los investigadores describen su trabajo en Nature Communications.

Los experimentos previos con láseres que generan fusión de boro dirigían el láser a un blanco de boro para iniciar la reacción, señala Labaune. En cambio, en el experimento de su equipo, el haz de protones generados por láser produce un aumento de diez veces en la fusión de boro debido a que los protones y núcleos de boro se chocan directamente, dijo.

Ya se han utilizado láseres para impactar sobre una pequeña pastilla de dos isótopos de hidrógeno —deuterio y tritio, que contienen dos y tres neutrones, respectivamente— para iniciar la fusión. Pero además de producir la radiación de neutrones, el impactar la pastilla de manera uniforme para que lograr la reacción requiere de un gran conjunto de láseres. Hay cerca de 200 en el sistema de láser más grande del mundo, la Instalación Nacional de Ignición en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California. El método de fusión de boro seguiría requiriendo solamente dos láseres si se escala con éxito.

Futura fuente de energía

Los tiempos son cruciales para el éxito del experimento, dice el co-autor del estudio Johann Rafelski, un físico teórico en la Universidad de Arizona en Tucson. El plasma de boro generado por el láser dura apenas alrededor de una milmillonésima parte de un segundo, por lo que el pulso de protones, que dura una billonésima de segundo, se debe sincronizar con precisión para que dé en el blanco de boro. El haz de protones está precedido por un haz de electrones, generado por el mismo láser, que aparta electrones del plasma de boro, permitiendo que los protones tengan más chances de chocar con los núcleos de boro y de iniciar la fusión.

Los láseres que utilizaron en el equipo de Labaune para generar la fusión lo hacen en breves rachas separadas por un máximo de 90 minutos. Pero el mismo experimento se podría repetir con láseres más rápidos, que generarían las reacciones de fusión continua, dice el físico de láser Gérard Mourou en la Escuela Politécnica, que no participó en la investigación.

El estudio no fue diseñado para alcanzar el santo grial de la fusión: la ignición, el punto de equilibrio en el que la energía generada por el proceso de fusión es igual a la de la entrada de energía necesaria para alimentar el láser. Pero las mejoras en la potencia y la miniaturización de los láseres, y la sencillez del sistema de dos láseres «hace este esquema práctico» como fuente de energía futura, dice Mourou.

Fuente: Nature. Aportado por Eduardo J. Carletti

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