Generación de electricidad a partir del frío del espacio

La desventaja obvia de los paneles solares es que requieren la luz del sol para generar electricidad. Algunas personas han señalado en cambio que un dispositivo especial situado en la superficie de la Tierra y mirando al espacio (el cual tiene una temperatura extremadamente baja), podría producir un flujo de energía, y esta ser aprovechada usando el mismo tipo de física optoelectrónica que se emplea para sacar un rendimiento de la energía solar. De esta forma, podríamos generar electricidad como las células solares, y alimentar sistemas electrónicos por la noche.

El equipo internacional de científicos que ha participado en el trabajo ha demostrado por primera vez que es posible generar una cantidad medible de electricidad en un diodo directamente a partir del frío del universo. El dispositivo semiconductor infrarrojo miraba hacia el cielo y utilizaba la diferencia de temperatura entre la Tierra y el espacio para producir la electricidad.

“La inmensidad del universo es un recurso termodinámico”, dijo Shanhui Fan, un autor del artículo. “En términos de física optoelectrónica, existe realmente esta hermosa simetría entre la recolección de radiación entrante y la recolección de radiación saliente”.

En contraste con el aprovechamiento de la energía entrante, como lo haría una célula solar normal, el efecto de iluminación negativa permite que se genere energía eléctrica a partir del calor que deja la superficie. La tecnología actual, sin embargo, no captura tan eficientemente la energía por encima de estas diferencias negativas de temperatura.

Esquema del fotodiodo infrarrojo experimental que ha generado electricidad directamente del frío del espacio. (Foto: Masashi Ono)

Al apuntar su dispositivo hacia el espacio, cuya temperatura se acerca a escasos grados del cero absoluto, el grupo fue capaz de encontrar una diferencia de temperatura lo suficientemente grande como para generar energía a través de un diseño inicial.

“La cantidad de energía que podemos generar con este experimento, por el momento, está muy por debajo del límite teórico”, dijo Masashi Ono, otro autor del artículo.

El grupo descubrió que su diodo de iluminación negativa generaba unos 64 nanovatios por metro cuadrado, una cantidad ínfima de electricidad, pero ello era una importante prueba de concepto, que los autores pueden mejorar elevando las propiedades optoelectrónicas cuánticas de los materiales que se utilizan.

Los cálculos realizados después de que el diodo creara electricidad demostraron que, si se tienen en cuenta los efectos atmosféricos, el dispositivo actual puede generar teóricamente casi 4 vatios por metro cuadrado, aproximadamente un millón de veces lo que generó el dispositivo del grupo y suficiente para ayudar a alimentar de noche la maquinaria que se requiere para funcionar.

En comparación, los paneles solares actuales generan de 100 a 200 vatios por metro cuadrado, cuando el sol los ilumina.

Si bien los resultados son prometedores para esta clase de dispositivos terrestres orientados hacia el cielo, Fan dijo que el mismo principio podría ser usado para recuperar el calor residual de máquinas. Por ahora, él y su grupo se centran en mejorar el rendimiento de su aparato. (Fuente: NCYT Amazings)

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Se ensayan nuevos tipos de células solares en el espacio

Cinco tipos diferentes de células solares fabricadas por equipos de investigación del Instituto de Tecnología de Georgia llegaron hace algunas semanas a la Estación Espacial Internacional (ISS) para ser probadas en cuanto a su tasa de conversión de energía y su capacidad para funcionar en el duro entorno espacial, todo ello formando parte de la misión MISSE-12. Un tipo de célula, hecha de materiales orgánicos de bajo costo, no ha sido probada extensamente en el espacio antes, y se muestra muy prometedora para ser incorporada a futuros paneles solares de alto rendimiento.

Células fotovoltaicas texturizadas basadas en nanotubos de carbono, diseñadas para capturar la luz desde cualquier ángulo, serán evaluadas por su capacidad de producir energía de manera eficiente, independientemente de su orientación hacia el Sol. Otras células hechas de materiales de perovskita y un material de bajo costo de cobre-zinc-estaño-sulfuro (CZTS) – junto con un grupo de control de células tradicionales basadas en silicio, se hallan entre los 20 dispositivos fotovoltaicos (PV) colocados en la plataforma MISSE situada en el exterior de la ISS para una evaluación de seis meses. Para dos de las células, el lanzamiento marcó su segundo viaje al espacio.

“Para todas las células fotovoltaicas se hará la misma pregunta: en particular, ¿pueden estos foto-absorbedores ser usados de forma efectiva en el espacio?”, dijo Jud Ready, ingeniero principal de investigación en el Instituto de Investigación del Georgia Tech (GTRI), director asociado del Centro de Tecnología e Investigación Espacial del Georgia Tech, y subdirector del Instituto de Materiales del Georgia Tech. “Con esta prueba, obtendremos conocimientos sobre los mecanismos de degradación de estos materiales y podremos comparar su producción de energía en diferentes condiciones”. Se espera de esta información poder diseñar mejores paneles solares para su uso espacial.

Las células solares orgánicas desarrolladas en el laboratorio del Profesor Bernard Kippelen en el Georgia Tech se procesan a bajas temperaturas utilizando procesos basados en soluciones sobre grandes superficies, para producir células con un absorbente que puede ser unas 200 veces más delgado que el ancho de un cabello humano.

Jud Ready sostiene una célula solar de perovskita. (Foto: Branden Camp, Georgia Tech)

“Con un peso muy bajo y valores de eficiencia de conversión de potencia de hasta el 16%, las células solares orgánicas podrían producir valores de potencia de cientos de miles de vatios por kilogramo de material activo, lo que resulta muy atractivo para las aplicaciones de paneles solares espaciales”, dijo Kippelen. “Sin embargo, los efectos de la exposición continua de estos dispositivos en un entorno espacial no han sido explorados a fondo. Nuestro interés es investigar la robustez de las interfaces formadas en estos dispositivos en un entorno espacial, así como mejorar nuestra comprensión de los mecanismos de degradación de las células solares orgánicas en el espacio”.

Las células solares planas tradicionales son más eficientes cuando la luz del Sol está directamente sobre ellas. Debido a que la dirección del flujo solar varía con la órbita, los grandes vehículos espaciales como la ISS utilizan mecanismos mecánicos de apuntamiento para mantener las células correctamente orientadas. Sin embargo, esos complejos mecanismos crean problemas de mantenimiento y son demasiado pesados para su uso en naves espaciales muy pequeñas como los CubeSats.

Para superar el problema de la orientación hacia el Sol, el equipo de Ready desarrolló células solares con textura 3D que pueden capturar eficientemente la luz solar que llega con diferentes ángulos. Las células utilizan “torres” hechas de nanotubos de carbono y cubiertas con material fotovoltaico para atrapar la luz que rebotaría en las células estándar cuando no están inclinadas hacia el Sol.

“Con nuestra estructura para atrapar la luz, nos da igual el ángulo del Sol”, dijo Ready. “Nuestras células en realidad trabajan mejor en ángulos rasantes. En los CubeSats, eso permitirá una captura eficiente sin importar la orientación del Sol”.

Las células de perovskita producidas en el laboratorio de Zhiqun Lin, profesor de la Escuela de Ciencia de Materiales e Ingeniería, también serán probadas. Estos materiales tienen conocidos mecanismos que propician su fallo, causados por la absorción de humedad y de oxígeno. “Estos dos mecanismos de falla no estarán presentes en el exterior de la Estación Espacial Internacional, por lo que esta prueba nos permitirá ver el rendimiento de estos materiales sin esos problemas. Deberíamos ser capaces de determinar si estos problemas conocidos podrían estar enmascarando otras causas de degradación”, dijo Ready.

Los materiales CZTS podrían potencialmente convertirse en las celdas solares de próxima generación, células hechas de materiales de bajo costo y abundantes en la Tierra: cobre, zinc, estaño y azufre. Los materiales tienen un alto coeficiente de absorción y pueden ser resistentes a la radiación – útiles para aplicaciones espaciales – y ofrecen un atractivo compromiso entre costo y rendimiento, dijo Ready.

Las células solares de silicio producidas por el Centro Universitario de Excelencia en Investigación y Educación Fotovoltaica del Georgia Tech proporcionarán una forma de comparar el rendimiento de las otras células. El laboratorio, dirigido por el profesor Ajeet Rohatgi de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Computacional, proporcionó este tipo de células de control.

“Estas células foto-absorbentes de silicio servirán como controles para comparar el rendimiento de otros materiales foto-absorbentes en el espacio”, dijo Rohatgi.

Las 20 células fotovoltaicas se unirán brevemente a otras tres células fabricadas por los investigadores del Georgia Tech que ya están en la ISS. Esas tres, y dos en la misión más reciente, formaban parte de un experimento de 2016 que no pudo registrar datos, aunque sí proporcionó información sobre los efectos del entorno espacial en las células solares.

Las células fotovoltaicas del Georgia Tech fueron lanzadas a la ISS el 2 de noviembre de 2019, a bordo de la S.S. Alan Bean, una nave espacial Cygnus que partió desde las instalaciones de la NASA en Wallops Island, como parte de una misión de reabastecimiento de rutina. Para su ensayo, las células fueron integradas en un paquete de pruebas por la empresa Alpha Space Test & Research Alliance de Houston.

Además de los ya mencionados, el proyecto también incluyó a Canek Fuentes-Hernández, Matthew Rager, Hunter Chan, Christopher Tran, Christopher Blancher, Zhitao Kang y Conner Awald y Brian Rounsaville, todos del Georgia Tech. (Fuente: NCYT Amazings)

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