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Aprovechamiento de la energía solar directa para la propulsión
El sol es la fuente más abundante de energía renovable. Pero todas las tecnologías que aprovechan la luz solar, incluidas la fotovoltaica y los biocombustibles, requieren pasos e infraestructura intermedios para convertir los rayos del sol en algo que se pueda utilizar para realizar trabajo en una máquina. Investigadores de la Universidad de California, Berkeley, están utilizando nanotubos de carbono para construir máquinas pequeñas y simples impulsadas por el agua impulsadas directamente por la luz solar. En teoría, dicen, estas máquinas podrían ampliarse para fabricar bombas generadoras de energía alimentadas directamente por el sol.
Giro solar: Un rotor de cuatro aletas (centro) que flota sobre un charco de agua gira cuando se expone a la luz solar. A la izquierda hay una lente que se usa para dirigir la luz del sol sobre el rotor; la forma brillante junto al rotor se refleja en la luz del sol.
Las máquinas que funcionan con energía solar dependen de la tensión superficial del agua. Las moléculas de agua se atraen fuertemente unas a otras. Estas interacciones de alta energía pueden, en las condiciones adecuadas, arrastrar objetos a través del agua. Las máquinas de Berkeley son piezas de plástico transparente, de aproximadamente un centímetro en su borde más largo, incrustadas con tiras de nanotubos de carbono alineados verticalmente. Cuando la luz del sol o de un láser se enfoca en la máquina que flota en un charco de agua, los nanotubos se calientan y calientan el agua a su alrededor. Esto provoca una disminución de la tensión superficial localizada en una región de la máquina, que a su vez es impulsada hacia adelante alejándose de la parte de baja tensión de la superficie.
Otros sistemas similares rompen la tensión superficial usando pulsos eléctricos, pero esto requiere una fuente de energía como una batería o una celda solar. Esto es mejor porque elimina al intermediario y hace mucho ejercicio, dice Alex Zettl , profesor de física de la materia condensada en Berkeley que dirigió el equipo de investigación con Jean M.J. Fréchet , profesor de química e ingeniería química. Creemos que estamos en algo porque la tensión superficial es muy poderosa, dice Zettl.
Hasta ahora, el equipo de Berkeley ha demostrado dos máquinas básicas que funcionan con energía solar. El primero, un bote rectangular de plástico con una tira de nanotubos en su parte posterior, realiza un movimiento lineal. Dirigiendo la luz láser o usando una lente para enfocar la luz solar, ya sea en el centro de la tira de nanotubos o en sus esquinas, el barco puede dirigirse hacia adelante o en círculos. Cuando la luz se enfoca en él, un bote de aproximadamente un centímetro de largo puede viajar a una velocidad de ocho centímetros por segundo. La segunda máquina es un rotor simple con una tira de nanotubos en un lado de cada una de sus cuatro aletas. Cuando se expone a la luz solar directa, gira a unas 70 rotaciones por minuto. Ambas máquinas solo se han probado en contenedores en el laboratorio.
Negro carbón: Las matrices verticales de nanotubos de carbono, que se muestran aquí incrustadas en un polímero transparente, absorben casi toda la luz solar que les llega. Esta micrografía electrónica de barrido muestra el borde de uno de los barcos.
Esto es algo bastante simple, pero es posible gracias a materiales sofisticados, dice Zettl. A principios de este mes, investigadores de la Universidad Meijo de Japón establecieron que los nanotubos de carbono dispuestos en matrices verticales similares a bosques son los más negro materiales jamás probados, absorbiendo casi toda la luz que incide sobre ellos. Este material tiene las propiedades ideales para recolectar energía del sol, dice Fréchet.
Zettl y Fréchet dicen que, en teoría, estos efectos de tensión superficial térmica deberían ser escalables. El grupo de Berkeley comenzó con máquinas de escala milimétrica, no solo porque eran convenientes para probarlas en el laboratorio, sino también porque manipular objetos de este tamaño en líquido plantea desafíos particulares. La turbulencia es un factor enorme a escala milimétrica, dice Fréchet. El mecanismo alimentado por luz podría potencialmente usarse para mover objetos a nanoescala a través de dispositivos de microfluidos empleados para diagnósticos médicos. A nanoescala, dice Fréchet, la tensión superficial vence a la gravedad. Los investigadores también esperan ampliar su trabajo para hacer barcos reales. Las lentes montadas en la parte trasera de un barco grande deben enfocar suficiente luz solar sobre los nanotubos absorbentes para propulsarlo. También esperan fabricar grandes rotores con nanotubos integrados para generadores alimentados por el sol.
Ahora necesitan ver si esto funcionará en un entorno real, dice Dean Alhorn, ingeniero principal del satélite solar de la NASA. NanoSail-D . El satélite de la NASA, que se probó este verano, utiliza un material reflectante para absorber el impulso, en lugar del calor, de los fotones; esta tecnología debería funcionar bien en el vacío del espacio, pero no ha sido práctica en la Tierra. Alhorn dice que Zettl y Fréchet han demostrado sólidamente que es la luz, no otra cosa, lo que hace que los pequeños botes se muevan. Sin embargo, señala que las máquinas solo se han probado en tinas de agua dentro del laboratorio. Alhorn dice que los investigadores tendrán que responder a la pregunta, ¿cuánta fuerza pueden generar, frente a fuerzas opuestas como ondas en el mundo real?
De hecho, los investigadores de Berkeley dicen que su próximo paso es seguir diseñando sus dispositivos. Esto podría ser muy eficiente porque los nanotubos absorben la luz muy bien, pero tenemos que ver si este es un sistema termodinámico viable, dice Zettl.