¿De dónde vienen esos rayos cósmicos tan energéticos?

La Tierra está siendo bombardeada continuamente por rayos cósmicos (protones o núcleos de alta energía) que vienen de fuera de nuestra galaxia. El espectro de energía de estos rayos decae rápidamente después del llamado límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK), que está a unos 6×10¹⁹ eV; no obstante, se han observado rayos cósmicos con energías de hasta 3×10²⁰ eV.

Los astrofísicos se llevan preguntando durante mucho tiempo qué es lo que acelera las partículas a energías tan extraordinarias. Existen muchas posibilidades, como las supernovas o los chorros de materia relativistas provenientes de núcleos galácticos activos.

Pues bien, el experimento denominado Telescope Array ha proporcionado una buena pista, mediante la identificación de una zona del hemisferio celeste norte que envía una cantidad desproporcionada de rayos cósmicos ultraenergéticos en nuestra dirección. (El Observatorio Pierre Auger ya había identificado previamente una zona similar, aunque bastante más débil, en el hemisferio celeste sur).

Ilustración esquemática del Telescope Array.
[Dibujo hecho por Theturnipmaster (2013)]

Tras una exploración de cinco años que finalizó en mayo del 2013, el Telescope Array identificó 72 rayos cósmicos con energías por encima del límite GZK, a través de la lluvia de partículas creadas cuando los rayos cósmicos ultraenergéticos interaccionan con la atmósfera terrestre. Las partículas de la lluvia eran registradas por centelladores situados en el suelo, mientras que la energía depositada en el nitrógeno atmosférico era monitorizada mediante detectores de fluorescencia.

Alrededor de un 25% de los rayos cósmicos observados llegaban de la zona antes mencionada, que ocupa solo un 6% del hemisferio celeste norte. Se trata, sin embargo, de una zona suficientemente grande como para cubrir muchas fuentes potenciales de rayos cósmicos ultraenergéticos. De hecho, su extensión se debe en parte a que los campos magnéticos galácticos e intergalácticos curvan las trayectorias de los rayos, confundiendo un tanto las localizaciones de sus fuentes.

Afortunadamente, las partículas con energías cercanas o mayores que el límite GZK se curvan poco, de modo que un nuevo conjunto de telescopios mayores y más sensibles podría revelar con más precisión sus orígenes.
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/67/9/10.1063/PT.3.2504

Nuevos acumuladores para energías renovables

Hay científicos en Harvard que están desarrollando un acumulador económico basado en compuestos orgánicos. Acumulan la energía usando quinonas, que son moléculas orgánicas que se encuentran con frecuencia en la naturaleza. Si se puede adaptar este diseño de acumulador a niveles industriales, las energías solar y eólica podrán ser más económicamente viables.

Estos nuevos acumuladores se basan en baterías de flujo que utilizan quinonas suspendidas en agua, en lugar de los diseños actuales con vanadio (más caro) o cloro (más peligroso).

1,4-benzoquinona, miembro prototípico de la clase de las quinonas.
[Imagen tomada de un trabajo propio de Michał Sobkowski (2007).]

Las baterías funcionan como celdas de combustible. Dos grandes tanques de líquido circulan por una pila de celdas dividida por una membrana delgada. Uno de los fluidos de la batería de flujo está cargado positivamente, mientras que el otro es negativo, de forma muy parecida a los electrolitos de las pilas tradicionales. La membrana delgada de la pila de celdas solo permite el paso de iones positivos, bloqueando los electrones y creando así una corriente que fluye a través de cualquier aparato que se conecte a la batería. Para recargarla, se invierte el proceso y los electrones se acumulan en el depósito negativo.

Las investigaciones se han centrado en las baterías de flujo porque la cantidad de energía que pueden acumular está limitada solo por el tamaño de los tanques, lo que las hace ideales para guardar la electricidad generada por la energía eólica y solar. Además, en principio se pueden cargar y descargar indefinidamente.

El mayor problema de las fuentes de energía renovable es su intermitencia: la energía solar es máxima al mediodía y va decreciendo por la tarde (en el mejor de los casos) y la energía eólica es aún más esporádica. Debido a la variación a lo largo del día de la demanda de electricidad, si las energías renovables no se pudieran acumular en grandes cantidades y de forma económica, su uso nunca llegaría a ser realmente viable. En una época donde se busca la creación de electricidad de forma no contaminante pero sin querer renunciar a las grandes cantidades que necesitamos, la comercialización de estos acumuladores sería una gran noticia.
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201305/flowbattery.cfm

Científicos muy preocupados por el medio ambiente

Algunos de estos científicos y ciudadanos están tan preocupados por el medio ambiente que han decidido crear una asociación para abordar los temas relacionados con ello: la Unión de Científicos Preocupados (UCS, por sus siglas en inglés^[1]). Se trata de una organización sin ánimo de lucro que busca soluciones para los problemas medioambientales. Y uno de ellos está relacionado con la forma de obtener la energía que tanto apreciamos.

Foto: janie.hernandez55/Flickr/CC

Hay mucha gente que piensa que las opciones energéticas que tomamos tienen implicaciones directas o indirectas sobre nuestra salud, nuestros trabajos, el medio ambiente, etc. Energía limpia, energía verde, energía nuclear, energía X, ... ¿Cuál elegirías tú si pudieras?

En general, la meta de la UCS es utilizar la ciencia (de forma rigurosa e independiente) para resolver los problemas más urgentes de nuestro planeta. Combinando análisis técnicos y apoyos sociales, tratan de buscar soluciones innovadoras y prácticas para lograr un futuro sano, seguro y sostenible. Puedes echar un vistazo a su página web para saber más de ellos: información sobre los problemas actuales, posibilidades, qué se puede hacer.

Union of Concerned Scientists (Facebook)

http://www.ucsusa.org/clean_energy/

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Fuente:
http://www.facebook.com/worldscientific

1. ^{^} Union of Concerned Scientists.

Coches eléctricos de batería: ¿aquí ya?

En un simposio que tuvo lugar en Berkeley a principios de junio sobre la acumulación de energía, se planteó la cuestión de la viabilidad actual de los vehículos totalmente eléctricos. Y la respuesta general fue que, a pesar de sus muchas ventajas potenciales, estos coches no van a poder reemplazar al coche normal de una familia en el próximo futuro. Al menos, en Norteamérica, donde las distancias son tan grandes.

De momento, los vehículos eléctricos de batería (VEB)^[1] son una meta a la que nos vamos acercando, pero todavía no estamos lo suficientemente cerca. Utilizar tales coches con lo que algunos llaman una "red verde" eliminaría la dependencia del petróleo importado y reduciría las emisiones de CO₂. Sin embargo, la autonomía sigue siendo un gran problema, así como el coste demasiado alto, a pesar de que la electricidad suele ser menos cara que la gasolina para una autonomía dada.

Los investigadores están de acuerdo en que la química de iones de litio usada actualmente en las baterías de los coches eléctricos^[2] está alcanzando su madurez, por lo que sólo se pueden esperar pequeñas mejoras en la densidad de energía y el coste, que han de ser mayor y menor, respectivamente, para un uso generalizado de los VEB. Estas baterías son apropiadas para los coches híbridos y medianamente apropiadas para los vehículos híbridos enchufables.

En resumen, parece que hace falta encontrar un nuevo tipo de baterías de alta densidad. De momento, se están investigando dos procesos químicos diferentes como alternativa: litio-oxígeno (litio-aire) y litio-azufre. Teóricamente, ambos ofrecen mucha más densidad de energía de lo que sería posible con las baterías de iones de litio en el máximo de su desarrollo. Sin embargo, las dificultades técnicas a la hora de hacer una batería con una adecuada capacidad de recarga usando cualquiera de estos nuevos procesos químicos son enormes.

Las investigaciones tratan de resolver los grandes problemas relativos al cátodo, el ánodo y el electrolito. Hay estudios que incluyen el uso de nanotubos, nanohilos, nanoesferas y muchos otros nanomateriales. Pero lo cierto es que todavía hace falta mucha investigación para llegar a vislumbrar el camino que tomará la fabricación de baterías para vehículos.
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201207/electriccars.cfm

1. ^{^} Vehículos que sólo utilizan la electricidad para moverse.
2. ^{^} Así como en los ordenadores portátiles y teléfonos móviles, por ejemplo.

La energía solar y los semiconductores (y II)

(Este artículo es continuación de La energía solar y los semiconductores (I). Te recomiendo que lo leas primero.)

Existen otras células fotoeléctricas delgadas en el mercado, pero no usan cristal de silicio, lo que reduce su rendimiento. Para crear la purpurina solar, el equipo de Sandia aplicó una película de polímero adhesivo con un diseño interconectado a la parte superior de una oblea de 200 μm de grosor; al despegarlo, el adhesivo se lleva un conjunto de células de entre 10 y 20 μm de grosor. Más del 90% de la conversión de la luz tiene lugar en los primeros 20 micrones de una célula fotoeléctrica, por lo que apenas se pierde rendimiento. Después de despegar la capa superior de la oblea de silicio, el resto se puede usar para crear más células, lo que reduce el coste del material, ya que no se desperdicia nada.

Este método es más rápido y barato que otros procesos utilizados por otros grupos para obtener pequeñas capas de una oblea. Por otro lado, se pueden utilizar los procesos de producción de la industria de los semiconductores y la microelectrónica para manejar la purpurina solar, puesto que es más resistente que las células de mayor tamaño.

Además, las células más pequeñas permiten diferentes patrones de interconexión, lo que se está usando para dar a las células un mayor rendimiento cuando hay sombra parcial. También se está trabajando en la incorporación de un aparato llamado "microconcentrador", que concentran más luz en cada célula individual, aumentando la absorción y disminuyendo el coste por vatio.

Y ahí no acaba la cosa: los científicos de Sandia quieren unir tres tipos de purpurina solar (una de silicio, otra de arseniuro de galio y otra de fosfuro de indio y galio), que es más barato que hacerlas crecer juntas. En conjunto, los diferentes materiales recogen más longitudes de onda de luz, aumentando así la eficiencia de la célula.
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201206/solarcells.cfm

La energía solar y los semiconductores (I)

En el mundo de la energía solar, una de las metas es bajar el coste de las células fotoeléctricas y aumentar su funcionalidad. Y en el Laboratorio Nacional de Sandia lo saben bien, pues ya están tratando de comercializar unas células pequeñas, ligeras y flexibles, en cuya fabricación han hecho uso de procesos de manufacturación utilizados en las empresas de microelectrónica y semiconductores.

Las células fotoeléctricas actuales generalmente están hechas de silicio cristalino, debido a su alta eficiencia en la conversión de luz a energía. Por su parte, el silicio es también el material principal usado en los semiconductores y la electrónica de ordenadores, áreas que han experimentado un rápido descenso en el coste durante las últimas tres décadas. Por lo tanto, parece natural unir ambos.

Las células fotoeléctricas básicas de silicio cristalino están hechas de obleas de silicio de unos 10 o 15 cm² y unos 200 μm de grosor. Cada oblea constituye una célula y éstas se juntan para formar paneles solares que se colocan entre placas de cristal para poder manejarlas. Con todo esto, los paneles suelen ser rígidos y pesados. Pues bien, el equipo de Sandia ha conseguido cortar las obleas de silicio en células más pequeñas: de entre 100 y 750 μm² y de 10 a 20 μm de grosor. Le han dado el sobrenombre de "purpurina solar" por su parecido con la purpurina decorativa.

Estas células cortadas de la misma pieza de silicio pueden formar paneles que se montarían en materiales flexibles y ligeros, incluso en tejidos, como la ropa o las tiendas de campaña; y que podrían adaptarse a una amplia variedad de superficies.

Pero no acaba aquí la cosa. Para saber, cómo se crean estas células y qué mejoras se busca que incorporen, tendrás que leer el próximo artículo.
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201206/solarcells.cfm