31 de julio de 2011

Energia Fotovoltaica No Solar: Materiales Diseñados para Emitir Longitudes de Onda de Luz Muy Afinadas Cuando se Calientan

ScienceDaily (31 Julio 2011) - Un nuevo sistema de emisión de energía fotovoltaica desarrollado en el MIT puede ser alimentado exclusivamente por calor, generando electricidad sin nada de luz solar. Si bien el principio en cuestión no es nuevo, una nueva forma de diseñar la superficie de un material para convertir el calor en las longitudes de onda de luz precisamente afinadas - seleccionadas para coincidir con las mejores longitudes de onda que las células fotovoltaicas pueden transformar en electricidad - hace al nuevo sistema mucho más eficiente que las versiones anteriores. 

Una variedad de micro-reactores  de chips de silicio desarrollados por el equipo del MIT. 
Cada una de estas contiene cristales fotónicos en ambas caras planas, 
con tubos externos para la inyección de combustible y el aire y
la eyección de productos de desecho
. En el interior del chip,
el
 combustible y el aire reaccionan para calentar los cristales fotónicos. 
En la práctica, estos reactores tendrían una celda fotovoltaica 
montada contra cada cara, con un pequeño espacio entre ellas, 
para convertir las longitudes de onda de la luz emitidas en electricidad. 
(Crédito:Foto de Justin Knight)
La clave de esta emisión muy afinada de luz, que se describe en la revista Physical Review A, se encuentra en un material con miles de millones de pozos a nanoescala grabados en su superficie.Cuando el material absorbe el calor - sea del sol, un hidrocarburo, un radioisótopo en descomposición o cualquier otra fuente - la superficie picada irradia energía sobre todo en estas longitudes de onda cuidadosamente seleccionadas.

Sobre la base de esa tecnología, los investigadores del MIT han hecho un generador de energía del tamaño de un botón alimentado por gas butano, el cual puede durar tres veces más que una batería de litio-ion del mismo peso, el dispositivo se puede recargar al instante, simplemente rompiendo un cartucho pequeño de combustible fresco. Otro dispositivo, impulsado por un radioisótopo que constantemente produce calor de la desintegración radiactiva, podría generar electricidad durante 30 años sin reabastecerse de combustible o sin mantenimiento - una fuente ideal de energía eléctrica para naves espaciales dirigidas a las misiones de larga distancia del sol.

De acuerdo con la Administración de Información de Energía de EUA, el 92 por ciento de toda la energía que utilizamos consiste en la conversión de calor en energía mecánica y luego, a menudo, en electricidad - como el uso de combustible para producir vapor de agua que mueve una turbina, la cual está conectada a un generador. Sin embargo, los sistemas mecánicos de hoy en día tienen una eficiencia relativamente baja, y no puede ser reducidos a los pequeños tamaños necesarios para los dispositivos tales como sensores, teléfonos inteligentes o los monitores médicos.

"Ser capaz de convertir el calor de varias fuentes en electricidad sin piezas móviles traería enormes beneficios", dice Ivan Celanovic ScD '06, ingeniero de investigación en el Instituto MIT de Nanotecnologías Soldado (ISN), "sobre todo si podemos hacerlo de manera eficiente, económica relativamente  y en pequeña escala. "

Desde hace tiempo se sabe que las celdas  fotovoltaicas (PV) no siempre se ejecutan en la luz del sol. Hace medio siglo, los investigadores desarrollaron Las Celdas Termofotovoltaicas (TPV), un par de celdas fotovoltaicas con cualquier fuente de calor: una quema de hidrocarburos, por ejemplo, se calienta un material llamado el emisor térmico, que irradia luz y calor en el diodo de PV, generando electricidad. La radiación del emisor térmico incluye longitudes de onda mucho más infrarrojas que las que se producen en el espectro solar, y materiales PV de "baja amplitud de banda"  inventados hace menos de una década pueden absorber más de esa radiación infrarroja que lo que pueden los PVs  de silicio estándar. Pero gran parte del calor se pierde todavía, por lo que las eficiencias siguen siendo relativamente bajas.

Una combinación ideal
La solución, Celanovic dice, es diseñar un emisor térmico que irradie sólo las longitudes de onda que el diodo PV puede absorber y convertirlas en electricidad,suprimiendo al mismo tiempo las otras longitudes de onda. "Pero, ¿cómo encontrar un material que tenga la propiedad mágica de emitir sólo en las longitudes de onda que queremos?" pregunta Marin Soljacic, profesor de física e investigador de ISN. La respuesta: Hacer un cristal fotónico, tomando una muestra de material y crear algunas de las características a nanoescala en su superficie - por ejemplo, un patrón regular de repetición de los agujeros o surcos - se propaga así la luz a través de la muestra de una manera radicalmente diferente.

"Al elegir la forma como diseñamos la nanoestructura, podemos crear materiales que tienen nuevas propiedades ópticas", dice Soljacic. "Esto nos da la capacidad de controlar y manipular el comportamiento de la luz."

El equipo - que también incluye a Peter Bermel, científico investigador en el Laboratorio de Investigación Electrónica (RLE), Peter Fisher, profesor de física y Michael Ghebrebrhan , un investigador postdoctoral en RLE - uso un bloque de tungsteno, diseñando miles de millones de pozos pequeños en su superficie. Cuando la losa se calienta, genera una luz brillante con un espectro de emisión alterado debido a que cada pozo actúa como un resonador, capaz de emitir una radiación en solo ciertas longitudes de onda.

Este enfoque de gran alcance - co-desarrollado por John D. Joannopoulos, , profesor de Física de Francis Davis Wright y director del ISN, y otros - ha sido ampliamente utilizado para mejorar láseres, diodos emisores de luz e incluso las fibras ópticas. El equipo del MIT, apoyado en parte por una donación de semillas de la Iniciativa Energética del MIT, está trabajando con colaboradores en el MIT y en otros lugares para usarlos en crear varios nuevos dispositivos de generación de electricidad.

Mike Waits, un ingeniero electrónico en el Laboratorio de Investigación del Ejército en Adelphi, Maryland, quien no estuvo involucrado en este trabajo, dice que este enfoque para producir suministros de energía en miniatura podría conducir a dispositivos electrónicos portátiles más ligeros, que es "fundamental para aligerar la carga del soldado. No sólo reduce su carga, sino que también reduce la cadena logística "para entregar estos dispositivos en el campo. "Hay un montón de vidas en juego", dice, "por lo que si puede hacer que las fuentes de energía más eficientes, podría ser de un gran beneficio."

El dispositivo tipo botón que usa hidrocarburos como el butano o el propano como fuente de calor - conocido como un generador de energía micro-TPV - tiene en su centro un "micro-reactor", diseñado por Klavs Jensen, Catedrático de Ingeniería Química de Warren K. Lewis , y fabricado en los laboratorios de Tecnología de Microsistemas. Mientras que el dispositivo alcanza una eficiencia de conversión de combustible a electricidad tres veces mayor que la de una batería de litio-ion del mismo tamaño y peso, Celanovic confía en que con más trabajo que su equipo puede triplicar la densidad de energía actual. "En ese momento, nuestro generador de TPV podría encender su teléfono inteligente durante una semana entera sin ser recargado", dice.

Celanovic Soljacic enfatiza que la construcción de sistemas prácticos requiere la integración de muchas tecnologías y áreas de especialización. "Es un esfuerzo realmente multidisciplinario", dice Celanovic. "Y es un excelente ejemplo de cómo la investigación fundamental en los materiales puede dar lugar a nuevas prestaciones que permite un amplio espectro de aplicaciones para una eficiente conversion de energia."