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lunes, 14 de junio de 2010

Bateria de Nanotubos de Carbono para Viajes Espaciales

Un equipo de científicos del MIT (Massachusetts Institute of Technology) han descubierto un fenómeno previamente desconocidos que pueden causar poderosas olas de energía para disparar a través de cables minúsculos conocidos como nanotubos de carbono.
Estructura de un nanotubo
El fenómeno, que se describe como ondas termoeléctricas, "abre una nueva área de investigación de la energía, lo cual es raro", dice Michael Strano, Carlos de MIT y Hilda Roddey Profesor titular de Ingeniería Química, quien fue el autor principal de un artículo que describe los nuevos hallazgos que apareció en Nature Materials el 7 de marzo. El autor principal fue Wonjoon Choi, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica.

Producir energía eléctrica en el espacio tiene una importancia crítica para alimentar los sistemas de la nave y sus instrumentos científicos. Para las naves espaciales que además tienen un propulsor iónico o de plasma, la generación de energía eléctrica es el procedimiento que se usa principalmente para acelerar la nave.

La energía eléctrica en el espacio se produce a través de dos métodos diferentes: el primero mediante paneles solares fotovoltaicos, y el segundo mediante el uso de dispositivos nucleares que producen electricidad.

En el primer caso se pierde potencia eléctrica a medida que la nave se aleja del Sol, por lo que la tecnología actual sólo permite enviar sondas de exploración hasta la órbita de Júpiter.

En el segundo caso existen dificultades para conseguir el combustible (material radiactivo) normalmente de uso militar. Igualmente existe un riesgo de contaminación radiactiva en caso de un fallo del cohete lanzador.

Un nanotubo de carbono (como el que se muestra en la ilustración) puede producir una onda muy rápida de alimentación cuando esté recubierta por una capa de combustible y encendido, por lo que viaja el calor a lo largo del tubo.
Gráfico: Christine Daniloff

Ahora un ingeniero químico del MIT parece haber descubierto un nuevo sistema que produce una corriente eléctrica en nanotubos. Con algo más del desarrollo este efecto podría llegar a ser un sistema eficiente de energía eléctrica portátil.

El ingrediente clave de la receta es nanotubos de carbono - tubos microscópicos huecos compuestos de átomos de carbono

Estos tubos, de sólo unas pocas millonésimas de un metro (nanómetros) de diámetro, son parte de una familia de moléculas de carbono nuevas, como buckyballs y hojas de grafeno, que han sido objeto de investigaciones intensivas en todo el mundo durante las últimas dos décadas.



Michael Strano, ingeniero químico del MIT, lideró el equipo que descubrió cómo producir electricidad a partir de estas estructuras. Los investigadores revistieron los nanotubos con un combustible llamado trinitramina, y lo prendieron mediante un láser o una chispa eléctrica.

Mientras se consumía el combustible se produjo a una onda a de intenso calor que se movía a través del tubo, arrastrando los electrones con ella generando una corriente eléctrica. En el dispositivo prototipo, este efecto es 100 veces más potente que una batería de ión-litio de un peso equivalente.

Mientras las baterías convencionales van perdiendo su capacidad con el uso, Strano afirma que este nuevo tipo de baterías debería en principio mantener su carga indefinidamente.

Después de su uso, sólo sería necesario añadir combustible en, tal vez en forma líquida. Además, los nanotubos están formados únicamente de carbono, por lo que una batería de este tipo no contendría metales pesados tóxicos.

Antes de que estas baterías puedan ser una realidad, Strano necesita encontrar una forma fiable y segura para poner el combustible en ignición para que arranque la reacción, y averiguar cómo reducir la cantidad de energía que se pierde en forma de calor o de luz en lugar de ser convertida en electricidad.

"Necesitamos capturar los fotones y evitar que la transferencia de calor para hacer esta tecnología lo más eficiente posible", afirma Strano.

Una de las líneas que los investigadores pretenden desarrollar con más interés es el conseguir plasmar de hecho su teoría de que usando diferentes tipos de materiales reactivos para el revestimiento del nanotubo, el frente de onda térmica que empuja a los electrones puede oscilar, produciendo así una corriente alterna.

Esto abre una gran variedad de posibilidades, según Strano, porque la corriente alterna es la base para las ondas de radio utilizadas por ejemplo en las transmisiones de teléfonos móviles, lo cual mejoraría los actuales sistemas de almacenamiento de energía que producen corriente continua.

“Nuestra teoría predijo estas oscilaciones antes de que empezáramos a confirmarlo en nuestros datos”, dice. El equipo de investigadores tiene previsto trabajar para mejorar la eficiencia del sistema, ya que en las versiones actuales del sistema se pierde mucha energía en forma de calor y luz.

Según Stephan Roche, del Centro de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología, CIN2 (CSIC-ICN) de Barcelona, el trabajo del MIT es una forma muy innovadora de convertir energía térmica en energía eléctrica con un rendimiento excepcional.

Este investigador, miembro del grupo español de Teoria y Simulación del CIN2, señala que esto ha sido posible gracias a la estructura muy particular de los nanotubos de carbono, así como por sus propiedades de alta conductividad electrónica y térmica.

Esas propiedades ya están en el origen de su posible integración futura como elementos de conexiones metálicas en la microelectrónica. Los nanotubos de carbono pueden transportar densidades de corriente de magnitudes superior en comparación con el cobre (el metal que se usa ahora en las últimas generaciones de circuitos electrónicos).

El descubrimiento del grupo estadounidense, asociado a un grupo coreano, reside en la posibilidad de generar un efecto tipo termoeléctrico pero de manera dinámica, es decir, que se genera una propagación de cargas eléctricas de manera concomitante a la propagación de la onda térmica, un fenómeno hasta ahora desconocido.

La posibilidad de usar los nanotubos para recaudar una gran cantidad de calor y convertirla en electricidad abre nuevas perspectivas para muchos campos científicos tanto en la dirección de dispositivos electrónicos como para aplicaciones en energía alternativas.

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