Nanotecnología

El problema de la energía y la energía solar clásica

En la actualidad, la mayor fuente de energía se deriva de la quema de carburantes que contienen carbón. Este proceso suele ser poco eficiente, no renovable y además conlleva efectos secundarios nocivos para el medio ambiente.

La energía solar supondría una alternativa factible de energía en muchas zonas del mundo si el coste de su producción y los terrenos necesarios para generarla fuesen suficientemente económico y los sistemas de almacenamiento suficientemente eficaces (los costes son hasta 10 veces mayores que la generación de energía tradicional). Y respecto al almacenamiento, la energía se puede almacenar de forma eficiente, entre otras, de las siguientes maneras:

·         durante algunos días en flywheels relativamente grandes construidos de diamante fino con un peso de agua,

·         mediante electrólisis y recombinación del agua (pilas de combustible) que ofrecen una energía escalable, almacenable y transportable. El problema es almacenar y transportar de forma eficiente y segura el hidrógeno a gran escala.

La energía de luz solar directa supone aproximadamente 1kv por metro cuadrado. Si esto se divide por 10, teniendo en cuenta las horas de noche, días nublados y problemas de sistema, la demanda actual del mercado norteamericano (unos 10 kv por persona) requeriría unos 100 metros cuadrados de superficie por persona. Si se multiplica esta cifra por una población de 325 millones de personas, el resultado es la necesidad de cubrir aproximadamente 12.500 millas cuadradas con coletores solares (todo esto teniendo en cuenta que los rendimientos típicos de una célula fotovoltaica (aislada) de silicio policristalino oscilan alrededor del 10% y mediante células de silicio monocristalino, los valores oscilan alrededor del 15%).

Avances en energía solar utilizandola nanotecnología como solución

En el año 2000 se publica por los científicos de Los Alamos National Laboratory, dirigidos por el científico Victor Klimov, los resultados obtenidos en la investigación sobre la multiplicación de portadores en nanocristales de seleniuro de plomo sometidos a pulsos de láser de muy corta duración. Descubrieron que la aportación de un solo fotón podía producir dos e incluso tres electrones. La multiplicación de portadores depende de las fuertes interacciones entre los electrones, apretados dentro del diminuto volumen de una partícula de semiconductor a escala nanométrica, por lo que es el tamaño de la partícula y no su composición, quien determina la eficiencia del efecto.

Este hallazgo se encaminó hacia tecnologías fotovoltaicas, ya que de confirmase que un fotón podría producir dos o tres electrones, se estaría multiplicando por dos o por tres la generación de electricidad en nuevos módulos solares fotovoltaicos.

En 2005, y esta vez investigadores de Berkeley Lab y Lawrence Berkeley National Laboratory, han conseguido fabricar una célula solar hecha con nanocristales inorgánicos.

El diseño está basado en nanocristales de seleniuro de cadmio y teluro de cadmio, y la idea consiste en combinar varias técnicas de disoluciones, que normalmente se emplean en la fabricación de células solares orgánicas, con la robustez de los materiales empleados en sistemas inorgánicos. Estas células solares son tan baratas y fáciles de fabricar como las hechas de polímeros orgánicos, ofreciendo la ventaja de que son más estables en el aire, responden a un ancho de banda mayor y tienen mejor capacidad de transporte de carga eléctrica.

Aunque el prototipo presenta una eficiencia del 3% al convertir luz en electricidad, muy lejos de la tecnología del silicio, los investigadores ya están dando pasos para perfeccionar su prototipo y la eficiencia de la conversión. No obstante, y con la baja eficiencia actual, este sistema sería capaz de generar 710.000 MW, si todo el espacio disponible en las azoteas de EEUU estuviesen cubiertas con esta fina película fotovoltaica. Esta cifra representa las tres cuartas partes de la electricidad que el país genera actualmente. Hay que destacar también como único elemento negativo, que el cadmio es un metal pesado y altamente contaminante.

Era cuestión de tiempo que los nanotubos de carbono llegaran a la televisión. No lo harán por ser famosos, que lo son al menos en la esfera científica, sino para formar parte de las pantallas sustituyendo a las actuales de  LCD. Esto está basado en la propiedad del los nanotubos de emitir luz.

     Nanotubos de carbono. Fuentes: www.students.chem.tue.nl, www.wtec.org ,www.wtec.org

Y es que Samsung y más concretamente el laboratorio del gigante coreano, Samsung Advanced Institute of Technology, ha fabricado un prototipo de televisor LCD de 15 pulgadas en el que utilizan nanotubos de carbono como sustitutos de las fuentes convencionales de luz para formar la imagen, es decir, los LEDS. La principal ventaja que se derivaría de esta aplicación sería una bajada considerable del precio del producto.

No es la primera vez que Samsung experimenta con los nantotubos de carbono, de hecho, hace unos años lo intentó con la tecnología denominada FED (field-emited-displays) basada en el bombardeo electrónico por parte de los nanotubos de una pantalla fosforescente.  Es una tecnología similar al tubo catódico pero con la que se podrían obtener mejores resoluciones y calidad de imagen que con una pantalla de LCD o de plasma.

Por otro lado, otras compañías del sector también han construido prototipos para sustituir las pantallas actuales aumentando su resolución y calidad.  Así, Toshiba y Canon investigan en la tecnología SED, stands for surface-conduction electron-emitter display, (http://news.zdnet.com/2100-9584-6047405.html ) en la que los electrones son filtrados en una matriz de cientos de puntos de sólo unos cuantos nanometros de ancho, lo que permite a los electrones iluminar una pantalla.  Pero, estas propuestas no han podido competir con las pantallas basadas en nanotubos de carbono, ya que necesitan líneas de producción nuevas en las fábricas, lo que encarece mucho su precio final, además sus creadores no contaron con la tendencia a la baja del precio que están sufriendo los LCD’s convencionales, lo que hace esta propuesta aún menos competitiva.

Hasta hace relativamente poco, exactamente alrededor de 2003, no se conocía la propiedad de los nanotubos de carbono de emitir luz (http://physicsworld.com/cws/article/news/17407 ), hasta que los investigadores de IBM (http://www.research.ibm.com/ ) la obtuvieron al hacer pasar una corriente a través de ellos, esto no sólo revolucionará el mundo de la imagen, sino que permitirá construir dispositivos optoelectrónicos ultra pequeños para componentes de comunicación de alta velocidad. 

Una de las empresas punteras en la aplicación de la nanotecnología es la americana Nanospectra Biosciences, Inc.  Esta compañía desarrolla un dispositivo terapéutico médico que incorpora una nueva clase de partículas con criterio selectivo para destruir tumores sólidos. Estas nanocáscaras o "nanoshells" de AuroShell^TM fueron desarrollados en la Universidad de Rice en los años 90. Nanospectra inició las operaciones para comercializar aplicaciones que utilizan estos materiales únicos en 2002. Además de la eliminación de tumores sólidos, los usos potenciales de estas partículas AuroShell incluyen la detección de cáncer, la detección rápida y sensible de biomoléculas y agentes de biodefensa(respuesta inmune), dispersión Raman de superficie realzada, el tratamiento de degeneración macular, la soldadura de tejido de láser, dispositivos microfluidos, y la protección óptica. Una vez más sorprenden gran variedad de aplicaciones de la nanotecnología.

La nave insignia de esta empresa es la Terapia contra el Cáncer AuroLase^TM. Que se encuentra en ensayo clínico en estos momentos. Como con cualquier ensayo clínico, la inscripción de pacientes estará basada en criterios acordes con las agencias reguladoras (por ejemplo: el tipo de tumor, el tratamiento previo y el estado de progresión, la salud de paciente, etc.) y será sujeto a la evaluación del médico participante. Esperan que la primera prueba se centre en un pequeño número de pacientes. En este momento, Nanospectra no puede hablar de decisiones de inscripción o hacer relaciones de pacientes. La terapia contra el cáncer AuroLase combina las propiedades únicas físicas y ópticas de las partículas AuroShell con una fuente de láser de infrarrojo cercano para destruir termalmente las células cancerígenas sin dañar significativamente el tejido circundante.

   Estudios preclínicos han mostrado que esta terapia es sumamente eficaz.

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En un artículo publicado en El País el 28 de Marzo de 2007 se trata lo siguiente:

 La nanotecnología está llegando al mercado a través de una amplia variedad de productos; pastas de dientes, cremas con filtro solar, lavadoras, neveras, pinturas o limpia-cristales, tal y como se muestra en los artículos publicados en este blog. La lista es larga, pero según las previsiones no es más que el tímido principio de la irrupción de lo nano en el día a día. Se espera que las futuras aplicaciones multipliquen la eficiencia de las fuentes de energía renovable, impulsen la medicina regenerativa o aceleren el desarrollo de ordenadores más potentes. La presencia de lo nano en nuestra vida cotidiana ha sido largamente vaticinada y, por tanto, no debería causar sorpresa. Pero muchos se preguntan si no se debería, antes que nada, aclarar qué efectos tienen algunas nanoestructuras sobre la salud humana y el medio ambiente. Informes de las Naciones Unidas, de la Royal Society británica o de la Unión Europea coinciden con grupos ecologistas en admitir que el conocimiento sobre estos efectos es aún escaso. Nadie quiere tropezar con el rechazo del público a la nanociencia", dice el artículo, por eso estos estudios son muy importantes.

Un informe de Octubre de 2006 del consorcio europeo Nanoforum señalaba: ”El principal problema [de la nanotecnología] provendrá de las fuertes inversiones en investigación en un tipo de nanociencia que aún no ha alcanzado al consumidor”. Sobre estas expectativas hay pocas dudas. La pregunta es otra: ¿se está investigando todo lo que se tendría que investigar en nanotecnología?. El informe anual de las Naciones Unidas de 2006 sobre el medio ambiente califica literalmente a la nanotecnología como un desafío emergente: “Tiene un enorme potencial para generar beneficios sociales, económicos y medioambientales (…).Sin embargo, su impacto ambiental es en gran medida desconocido(…).Hace falta una investigación más sistemática y políticas (de control público) específicas para el sector”. Leer más »