Matrices de nanotubos de carbono de pared simple alineados podrían canalizar el calor desperdiciado y aumentar considerablemente la eficiencia de los sistemas de energía solar, según informan los investigadores.
La nueva invención es un emisor térmico hiperbólico que puede absorber el intenso calor que, de otro modo, se escaparía a la atmósfera, concentrarlo en un ancho de banda estrecho y emitirlo como luz que puede convertirse en electricidad.
El descubrimiento se basa en otro que el grupo de Junichiro Kono de la Brown School of Engineering de la Universidad Rice realizó en 2016, cuando encontró un método sencillo para fabricar películas altamente alineadas, a escala de oblea, de nanotubos densamente empaquetados.
Calor residual
Las conversaciones con Gururaj Naik, profesor adjunto de ingeniería eléctrica e informática, llevaron a la pareja a comprobar si las películas podían utilizarse para dirigir «fotones térmicos».
«Los fotones térmicos son simplemente fotones emitidos por un cuerpo caliente», dice Kono. «Si observas algo caliente con una cámara infrarroja, lo ves brillar. La cámara capta estos fotones excitados térmicamente».
Alrededor del 20 por ciento de nuestro consumo de energía industrial es calor residual. Equivale a unos tres años de electricidad solo para los estados de Texas.
La radiación infrarroja es un componente de la luz solar que aporta calor al planeta, pero solo representa una pequeña parte del espectro electromagnético.
«Toda superficie caliente emite luz en forma de radiación térmica», dice Naik. «El problema es que la radiación térmica es de banda ancha, mientras que la conversión de luz en electricidad solo es eficiente si la emisión se produce en una banda estrecha. El reto era concentrar fotones de banda ancha en una banda estrecha».
Las películas de nanotubos ofrecían la oportunidad de aislar fotones del infrarrojo medio que, de otro modo, se desperdiciarían. «Esa es la motivación», dice Naik. «Un estudio de [coautora principal y estudiante de posgrado] Chloe Doiron determinó que alrededor del 20 por ciento de nuestro consumo de energía industrial es calor residual. Equivale a unos tres años de electricidad solo para el estado de Texas. Es mucha energía desperdiciada.
Los nanotubos de carbono pueden aprovechar el calor
«La forma más eficiente de convertir hoy el calor en electricidad es utilizar turbinas, con vapor u otro líquido para accionarlas», dice. «Pueden ofrecer una eficiencia de conversión de casi el 50 por ciento. Nada más se acerca a eso, pero esos sistemas no son fáciles de implementar». Naik y sus colegas pretenden simplificar la tarea con un sistema compacto que no tiene piezas móviles.
Las películas de nanotubos alineados son conductos que absorben el calor residual y lo convierten en fotones de banda estrecha. Dado que los electrones de los nanotubos solo pueden viajar en una dirección, las películas alineadas son metálicas en esa dirección, mientras que en la dirección perpendicular son aislantes, un efecto que Naik denominó dispersión hiperbólica. Los fotones térmicos pueden incidir sobre la película desde cualquier dirección, pero solo pueden salir por una.
«En lugar de pasar directamente del calor a la electricidad, pasamos del calor a la luz y de la luz a la electricidad», dice Naik. «Parece que dos etapas serían más eficientes que tres, pero en este caso no es así».
Naik afirma que añadir los emisores a las células solares convencionales podría aumentar su eficiencia desde el máximo actual de alrededor del 22 por ciento. «Al concentrar toda la energía térmica desperdiciada en una pequeña región espectral, podemos convertirla en electricidad de forma muy eficiente», dice. «La predicción teórica es que podemos alcanzar una eficiencia del 80 por ciento».
Las películas de nanotubos son adecuadas para esta tarea porque resisten temperaturas de hasta 1.700 grados Celsius (3.092 grados Fahrenheit). El equipo de Naik construyó dispositivos de prueba de concepto que les permitieron operar a temperaturas de hasta 700 °C (1.292 °F) y confirmar su salida de banda estrecha. Para fabricarlos, el equipo creó patrones de matrices de cavidades de escala submicrométrica en las películas del tamaño de un chip.
«Hay una matriz de estos resonadores, y cada uno de ellos emite fotones térmicos solo en esta ventana espectral estrecha», dice Naik. «Pretendemos captarlos con una célula fotovoltaica y convertirlos en energía, y demostrar que podemos hacerlo con alta eficiencia».
Un artículo sobre esta tecnología se publica en ACS Photonics. La investigación contó con el apoyo del programa Basic Energy Science del Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación Robert A. Welch.
