Validan la eficacia de un sistema de calefacción que calienta el aire a partir de radiación solar

La climatización en los edificios representa prácticamente la mitad de todo el consumo total de energía de la Unión Europea. Además, casi el 75% se genera a partir de combustibles fósiles, según datos de la Comisión Europea. Por ello, reducir este consumo e integrar las energías renovables en los procesos de refrigeración y calefacción de edificios es una de las prioridades actuales para la investigación científica.

El grupo de investigación del Área de Máquinas Motores Térmicos de la Universidad de Córdoba (España) ha realizado un estudio experimental que valida la eficacia de un sistema de calefacción que calienta el aire de los edificios a partir de radiación solar. El dispositivo emplea una serie de captadores térmicos, conocidos como UTC por sus siglas en inglés, que aspiran el calor que se genera en la chapa externa de la fachada al recibir la radiación solar. Posteriormente, y a partir de esta energía, precalientan el aire de la ventilación que se introduce en las estancias para acondicionarlas.

El sistema, patentado hace ya varias décadas, “no ha llegado a extenderse su uso en Europa, más allá de algunos edificios experimentales”, explica el primer autor del estudio, Fernando Peci. El equipo ha instalado el dispositivo en un módulo de ensayo de 4×2 metros sometido a las condiciones normales de una vivienda. A lo largo de un mes, durante el invierno, este captador térmico ha sido monitoreado bajo distintas condiciones climáticas como la radiación solar, temperatura ambiente, viento o ángulo de incidencia de la radiación solar.

Imagen del módulo de ensayo usado por el equipo de investigación. (Foto: UCO)

Según los resultados del trabajo, la demanda de calefacción necesaria para la ventilación del edificio estaría cubierta durante el 75% de los días considerados en el estudio, lo que demuestra que “esta tecnología podría ofrecer un gran rendimiento para calentar inmuebles a partir de energía solar”, especialmente en fachadas sin acristalar y orientadas al sur, que es la orientación del hemisferio norte que reciben más luz natural durante el día.

Tal y como señala el autor principal de la investigación, este sistema de calefacción podría ser aconsejable durante la rehabilitación de edificios antiguos, ya que su montaje no alteraría la fachada original. El colector solar se compone de una chapa metálica -cubierta de un material oscuro- y perforada, para poder conectar con los ventiladores y transmitir el calor al interior, por lo que la intervención sobre el edificio sería mínima.

Por otro lado, según subraya Fernando Peci, el equipo ha planteado el empleo de estos sistemas de ventilación en viviendas sociales, “en las que los gastos de calefacción no son asumibles para buena parte las familias”. En este sentido, el dispositivo no solo supondría un beneficio para el medioambiente, sino un ahorro económico en la factura de la luz, uno de los recibos más temidos durante el invierno. (Fuente: UCO)

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Un choque entre galaxias podría haber provocado la formación del sistema solar

La formación del Sol, el sistema solar y el posterior surgimiento de la vida en la Tierra podrían ser consecuencia de una colisión entre nuestra galaxia, la Vía Láctea, y otra galaxia menor, denominada Sagitario, descubierta en los años noventa y que orbita nuestro hogar galáctico.

Los astrónomos saben que Sagitario choca repetidamente con el disco de la Vía Láctea a medida que su órbita alrededor del núcleo de la galaxia se estrecha como resultado de las fuerzas gravitacionales. Estudios anteriores sugerían que Sagitario, una galaxia enana, había tenido un profundo efecto en la manera en que las estrellas se desplazan por la Vía Láctea. Algunos llegan hasta a afirmar que la emblemática estructura en espiral de la Vía Láctea, que es 10.000 veces más masiva, podría ser el resultado de al menos tres impactos conocidos con Sagitario a lo largo de los últimos 6.000 millones de años.

Un nuevo estudio, basado en datos recopilados por Gaia, la misión cartográfica de la ESA, han revelado por primera vez que la influencia de Sagitario en la Vía Láctea podría ser aún mayor. Las ondas causadas por las colisiones parecen haber desencadenado importantes episodios de formación estelar, uno de los cuales coincidió aproximadamente con el momento de la formación del Sol hace unos 4.700 millones de años.

“Por los modelos existentes, sabemos que Sagitario ha chocado tres veces con la Vía Láctea, la primera vez hace unos 5.000 o 6.000 millones de años, después hace unos 2.000 millones de años y, finalmente, hace 1.000 millones de años”, explica Tomás Ruiz-Lara, investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) en Tenerife y autor principal del nuevo estudio publicado en Nature Astronomy.

“Al observar los datos de Gaia sobre la Vía Láctea, descubrimos tres periodos de mayor formación estelar, que alcanzaron su máximo hace 5.700 millones, 1.900 millones y 1.000 millones de años, lo que se corresponde con los momentos en que se cree que Sagitario atravesó el disco de la Vía Láctea”.

(Foto: ESA)

Los investigadores observaron la luminosidad, las distancias y los colores de las estrellas en una esfera de unos 6.500 años luz alrededor del Sol y compararon los datos con los modelos de evolución estelar existentes. Según Tomás, la idea de que la galaxia enana pudiera haber provocado ese efecto tiene mucho sentido.

“Al principio teníamos una galaxia, la Vía Láctea, relativamente tranquila —explica Tomás—. Después de una violenta época inicial de formación estelar, provocada en parte por una fusión más temprana, como describimos en un estudio anterior, la Vía Láctea había alcanzado un estado de equilibrio en el que las estrellas se formaban continuamente. De repente, Sagitario entra en escena y rompe ese equilibrio, haciendo que todo el gas y el polvo dentro de la galaxia mayor empiece a moverse, como ondas en el agua”.

En ciertas áreas de la Vía Láctea, estas ondas llevarían a mayores concentraciones de polvo y gas, mientras otras se vaciarían. La mayor densidad de material en estas áreas desencadenaría después la formación de nuevas estrellas.

“Parece que Sagitario no solo influyó en la estructura y las dinámicas de desplazamiento de las estrellas en la Vía Láctea, también ha afectado a la formación de nuestra galaxia —señala Carme Gallart, del IAC y coautora del artículo—. Parece que una parte importante de la masa estelar de la Vía Láctea se formó por las interacciones con Sagitario y que, de otro modo, no existiría”.

De hecho, parece posible que ni el Sol ni sus planetas existirían si la galaxia enana no hubiera quedado atrapada por la atracción gravitacional de la Vía Láctea hasta acabar impactando con su disco.

“El Sol nació en un momento en que se estaban formando estrellas en la Vía Láctea debido al primer impacto con Sagitario —continúa Carme—. No sabemos si la nube de gas y polvo que dio lugar al Sol colapsó por efecto de Sagitario o no. Pero es un escenario posible, dado que la edad del Sol es coherente con la idea de una estrella formada por efecto de Sagitario”.

Con cada colisión, Sagitario iba perdiendo parte de su polvo y gas, por lo que con cada paso la galaxia se empequeñecía. Los datos existentes sugieren que Sagitario podría haber vuelto a atravesar el disco de la Vía Láctea hace poco tiempo, en los últimos cientos de millones de años, y que en la actualidad está cerca de volver a hacerlo. De hecho, el nuevo estudio descubrió un reciente brote de formación estelar, lo que sugiere una posible oleada nueva y en curso de nacimiento de estrellas.

De acuerdo con el científico del proyecto Gaia de la ESA Timo Prusti, estos detalles sobre la historia de la formación estelar en la Vía Láctea habrían sido imposibles antes de Gaia, el telescopio de cartografía estelar lanzado a finales de 2013, cuyos datos publicados en 2016 y 2018 han revolucionado el estudio de nuestra galaxia.

“Algunos datos sobre la historia de la formación de las estrellas de la Vía Láctea ya existían antes, basados en la misión Hipparcos de la ESA, de principios de los años noventa —apunta Timo—. Pero esas observaciones se centraban en el vecindario inmediato del Sol. No eran verdaderamente representativas, por lo que no podían revelar esos brotes de formación estelar que vemos hoy en día.

“En realidad, es la primera vez que vemos una historia detallada de la formación de las estrellas de la Vía Láctea. Da fe de la potencia científica de Gaia, que hemos visto manifestarse una y otra vez en innumerables estudios revolucionarios en solo un par de años”. (Fuente: ESA)

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Por qué el viento solar está más caliente de lo esperado

Cuando se abre un extintor de incendios, el dióxido de carbono comprimido forma cristales de hielo alrededor de la boquilla, proporcionando un ejemplo visual del principio físico de que los gases y los plasmas se enfrían a medida que se expanden. Cuando nuestro Sol expulsa el plasma en forma de viento solar, este también se enfría a medida que se expande por el espacio, pero no tanto como las leyes de la física podrían predecir.

En un estudio publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, los físicos de la Universidad de Wisconsin-Madison proporcionan una explicación para la discrepancia en la temperatura del viento solar. Sus hallazgos sugieren formas de estudiar los fenómenos del viento solar en laboratorios de investigación y aprender sobre las propiedades de este en otros sistemas estelares.

“La gente ha estado estudiando el viento solar desde su descubrimiento en 1959, pero hay muchas propiedades importantes de este plasma que todavía no se comprenden bien”, dice Stas Boldyrev, profesor de física y autor principal del estudio. “Inicialmente, los investigadores pensaron que el viento solar tiene que enfriarse muy rápidamente a medida que se expande desde el Sol, pero las mediciones de los satélites muestran que a medida que llega a la Tierra, su temperatura es 10 veces mayor de lo esperado. Por lo tanto, una pregunta fundamental es: ¿Por qué no se enfría?”

El plasma solar es una mezcla fundida de electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente. Debido a esta carga, el plasma solar se ve influenciado por campos magnéticos que se extienden hacia el espacio, generados bajo la superficie solar. A medida que el plasma caliente escapa de la atmósfera más exterior del Sol, su corona, fluye a través del espacio como viento solar. Los electrones en el plasma son partículas mucho más ligeras que los iones, por lo que se mueven unas 40 veces más rápido.

Con más electrones cargados negativamente alejándose, el Sol adopta una carga positiva. Esto hace que sea más difícil para los electrones escapar de la atracción solar. Algunos electrones tienen mucha energía y siguen viajando por distancias infinitas. Los que tienen menos energía no pueden escapar de la carga positiva del Sol y son atraídos de vuelta a él. Al hacerlo, algunos de esos electrones pueden ser desviados de su camino muy ligeramente por colisiones con el plasma circundante.

Una máquina de espejos es un reactor de fusión lineal. Permite a los científicos aplicar la investigación de las máquinas para comprender los fenómenos de viento solar. (Foto: Cary Forest / UW–Madison)

“Hay un fenómeno dinámico fundamental que dice que las partículas cuya velocidad no está bien alineada con las líneas de campo magnético no son capaces de moverse en una región de un campo magnético fuerte”, dice Boldyrev. “Tales electrones que regresan son reflejados de tal manera que se alejan del Sol, pero nuevamente no pueden escapar debido a la fuerza eléctrica atractiva de la estrella. Así que su destino es rebotar de un lado a otro, creando una gran población de los llamados electrones atrapados”.

En un esfuerzo por explicar las observaciones de la temperatura en el viento solar, Boldyrev y sus colegas, los profesores de física de la UW-Madison, Cary Forest y Jan Egedal, buscaron en un campo relacionado, pero distinto, de la física del plasma una posible explicación.

En la época en que los científicos descubrieron el viento solar, los investigadores del plasma de la fusión nuclear estaban pensando en formas de confinarlo. Desarrollaron “máquinas de espejos”, o líneas de campo magnético llenas de plasma en forma de tubos con extremos apretados, como botellas con cuellos abiertos en cada extremo.

A medida que las partículas cargadas en el plasma viajan a lo largo de las líneas de campo, llegan al cuello de la botella y las líneas de campo magnético se ven “pellizcadas”. El “pellizco” actúa como un espejo, reflejando las partículas de vuelta a la máquina.

“Pero algunas partículas pueden escapar, y cuando lo hacen, fluyen a lo largo de líneas de campo magnético en expansión fuera de la botella. Debido a que los físicos quieren mantener este plasma muy caliente, quieren averiguar cómo la temperatura de los electrones que escapan de la botella disminuye fuera de esta abertura”, dice Boldyrev. “Es muy similar a lo que sucede en el viento solar que se expande lejos del sol”.

Boldyrev y sus colegas pensaron que podían aplicar la misma teoría de las máquinas de espejos al viento solar, observando las diferencias entre las partículas atrapadas y las que escapan. En los estudios de las máquinas de espejos, los físicos encontraron que los electrones muy calientes que escapaban de la botella eran capaces de distribuir su energía calórica lentamente a los electrones atrapados.

“En el viento solar, los electrones calientes fluyen desde el Sol a distancias muy grandes, perdiendo su energía muy lentamente y distribuyéndola a la población atrapada”, dice Boldyrev. “Resulta que nuestros resultados concuerdan muy bien con las mediciones del perfil de temperatura del viento solar y pueden explicar por qué la temperatura de los electrones disminuye con la distancia tan lentamente”, dice Boldyrev.

La precisión con la que la teoría de las máquinas de espejos predice la temperatura del viento solar abre la puerta para usarlas para estudiar el viento solar en el laboratorio.

“Tal vez incluso encontremos algunos fenómenos interesantes en esos experimentos que los científicos espaciales tratarán de buscar en el viento solar”, dice Boldyrev. “Siempre es divertido cuando empiezas a hacer algo nuevo. No sabes qué sorpresas te vas a llevar”. (Fuente: NCYT Amazings)

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Antena fotovoltaica, ¿primer paso hacia una revolución en la energía solar?

La combinación entre paneles solares y microondas en una antena fotovoltaica podría abrir nuevas perspectivas en el aprovechamiento de la energía del Sol.

Unos ingenieros del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) de la Marina Estadounidense lanzaron recientemente al espacio un dispositivo denominado PRAM (por las siglas en inglés de Photovoltaic Radio-frequency Antenna Module), a bordo de un vehículo de pruebas orbitales X-37B de la Fuerza Aérea estadounidense, como parte de una investigación exhaustiva sobre el posible uso terrestre de la energía solar captada en el espacio mediante paneles solares.

“Hasta donde sabemos, este experimento es la primera prueba en órbita de hardware diseñado específicamente para satélites de energía solar, que podría desempeñar un papel revolucionario en nuestro futuro energético”, subraya Paul Jaffe, investigador principal del módulo PRAM.

El módulo probará la capacidad de obtener energía de su panel solar y enviarla en forma de radiofrecuencias, concretamente en la banda de las microondas.

Es factible usar luz visible en vez de microondas, pero esta opción tiene el inconveniente de que se pierde mucha energía a través de las nubes y la atmósfera. Tal como explica Chris Depuma, del equipo de investigación y desarrollo del PRAM, sí sería viable esta clase de conversión para transmitir energía desde paneles solares en órbita lunar hasta la superficie de nuestro satélite natural porque no hay atmósfera en la Luna.

El módulo de antena PRAM junto a una regla de 30 centímetros (12 pulgadas) que sirve de referencia para apreciar su tamaño. El hardware constituye el primer experimento orbital diseñado para recoger luz solar en paneles solares de un satélite actuando como central eléctrica y transmitirla en forma de microondas. (Imagen: U.S. Naval Research Laboratory)

El uso de la energía solar para suministrar electricidad a satélites comenzó al principio de la era espacial con otra nave espacial del NRL: el Vanguard 1, el primer satélite de la historia con paneles solares y el más antiguo de entre todos los satélites que aún permanecen en órbita.

El experimento actual se centra en el proceso de conversión de energía y en el rendimiento térmico resultante. El hardware proporcionará a los investigadores datos de temperatura, junto con la eficiencia del PRAM en la producción de energía. Esta información impulsará el diseño de futuros prototipos de satélites de esta clase.

Suponiendo que se vayan logrando los resultados esperados, el equipo tiene como objetivo final construir un sistema completamente funcional en una nave espacial dedicada a probar la transmisión de energía solar desde el espacio a la Tierra. El desarrollo de una capacidad solar espacial podría ayudar a proporcionar energía a instalaciones remotas como bases de operaciones avanzadas. Y también a zonas asoladas por catástrofes en las que se necesite energía para operaciones de rescate y no haya infraestructuras operativas ni generadores móviles suficientes para cubrir la demanda.

Este experimento de vuelo permite a los investigadores probar el hardware en condiciones espaciales reales. La luz solar que incide en los paneles solares instalados en la superficie de la Tierra ha viajado a través de la atmósfera, la cual actúa de filtro que reduce su brillo. Una central eléctrica solar situada por encima de la atmósfera captaría en sus paneles solares más energía de cada una de las bandas de color de la luz solar. (Fuente: NCYT Amazings)

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El cometa SWAN, descubierto gracias al observatorio solar SOHO

El cometa C/2020 F8 (SWAN), que en estos momentos atraviesa los cielos por encima de la Tierra, podría llegar a verse claramente a simple vista hacia finales de mayo o principios de junio. Sin embargo, no ha sido descubierto por alguien mientras observaba el cielo nocturno, sino mirando la pantalla de un ordenador.

El astrónomo aficionado Michael Mattiazzo, de Australia, detectó este visitante helado del sistema solar exterior mientras inspeccionaba imágenes publicadas online del instrumento para el estudio de Anisotropías del Viento Solar (SWAN) a bordo de SOHO, el Observatorio Heliosférico y Solar de la ESA/NASA.

SWAN captura imágenes en luz ultravioleta, incluyendo una longitud de onda específica del ultravioleta llamada Lyman alfa. Esta longitud es característica de la emisión de átomos de hidrógeno. El principal objetivo del instrumento es cartografiar los cambios en el viento solar, el flujo variable de partículas cargadas que libera continuamente el Sol al espacio interplanetario. Además, se ha convertido en un descubridor eficaz de cometas, ya que estos objetos también son fuentes de hidrógeno.

En el caso de un cometa, el hidrógeno procede del vapor de agua que el núcleo helado libera al espacio cuando lo calienta el Sol. Y, aún más, ya que la radiación solar puede romper las moléculas de agua (H2O) en un único átomo de hidrógeno (H) y un par de oxígeno-hidrógeno (lo que los científicos llaman un radical hidroxilo, u OH). El resultado es una nube de hidrógeno alrededor del cometa que emite un fuerte brillo de luz Lyman alfa y que puede observarse en los mapas de SWAN.

Casi cada día, SWAN registra un mapa de todo el firmamento. Estos mapas en bruto están repletos de estrellas, por lo que es difícil detectar nuevos cometas, que pueden aparecer desde cualquier dirección. Para facilitar la tarea, los mapas sucesivos se van sustrayendo automáticamente de los anteriores, borrando estrellas para dejar solo las fuentes variables o en movimiento.

(Foto: ESA/NASA/SOHO)

Estas imágenes de las diferencias se publican online periódicamente en el sitio web de SOHO, por lo que cualquiera con acceso a internet puede echar un vistazo a estos mapas rastreadores de cometas y sumarse a la búsqueda de nuevos objetos. Desde 1996 y hasta ahora, se han detectado doce en los datos de SWAN, siempre por parte de científicos ciudadanos, como también se denomina a los astrónomos aficionados.

En el caso del cometa que nos ocupa, Mattiazzo (que ya ha descubierto ocho cometas con este método) lo vio al comparar los mapas de SWAN de varios días a principios de abril de 2020.

Una vez anunciado el descubrimiento del cometa, el astrofotógrafo austríaco Gerald Rhemann obtuvo una bella imagen desde el desierto de Namibia que muestra claramente la nube esférica de gas de la coma y su cola de iones. Cuando se publicó como imagen astronómica de la NASA del día 29 de abril, contribuyó a que el cometa atrajera una mayor atención.

Otra imagen, capturada unos días después por el astrofotógrafo británico Damian Peach con ayuda de un telescopio remoto en Chile y también publicada como imagen astronómica del día, muestra la impresionante cola del cometa mientras este se acercaba a la Tierra. Su máximo acercamiento estaba previsto para el 13 de mayo, cuando el cometa quedaría a unos 85 millones de kilómetros de nuestro planeta.

El experto en cometas de SWAN, Michael Combi, de la Universidad de Michigan, calcula que hacia el 15 de abril, el cometa expulsaba unos 1.300 kg de vapor de agua por segundo, equivalente a unas 4,4 x 1028 moléculas de H2O por segundo. Es una gran velocidad de expulsión en comparación con otros cometas.

“Es tres veces más que la máxima alcanzada por el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko cuando lo visitó la misión Rosetta de la ESA entre 2014 y 2016”, apunta Jean-Loup Bertaux, antiguo investigador principal y proponente del instrumento SWAN.

El vigor del cometa podría ser significativo para los observadores en la Tierra. Cuanto más material libere el cometa, más luz solar reflejará y resultará más fácil de ver. En estos momentos se mueve del sur al norte y apenas es apreciable al ojo desnudo, pero los actuales cálculos sugieren que para finales de mayo podría ser mucho más brillante, si es que sobrevive todo ese tiempo.

Los cometas son objetos frágiles que, a menudo, se desintegran al acercarse al Sol. Es lo que le sucedió al esperadísimo cometa ATLAS a finales de abril, que se dividió en 30 fragmentos como mínimo. El cometa SWAN está a punto de entrar en la zona de peligro y llegará a su máximo acercamiento al Sol el 27 de mayo, cuando recibirá todo el calor de nuestra estrella.

Predecir el comportamiento de los cometas que se acercan tanto al Sol puede ser extremadamente difícil, pero los científicos confían en que el comenta SWAN conservará un brillo suficiente como para ver cómo continúa su viaje. Si el cometa sobrevive, los observadores desde la Tierra podrían buscarlo cerca de la estrella Capella, en la constelación de Auriga (el Cochero). Será casi el único momento de nuestra vida en que podremos ver este cometa: aunque los cálculos aún no son totalmente exactos, es evidente que su periodo orbital abarca de miles a millones de años.

Aunque el cometa SWAN no es más que el duodécimo descubrimiento de este instrumento, constituye el número 3.932 de los descubiertos por SOHO.

Este extraordinario número se debe al instrumento Coronógrafo Espectrométrico de Gran Angular (LASCO), con ayuda significativa del gran público.

“Casi todos los descubrimientos de cometas por parte de SOHO son fruto del esfuerzo de científicos ciudadanos para observar las imágenes obtenidas con el instrumento LASCO de SOHO”, explica Karl Battams, experto en cometas del equipo de LASCO en el Laboratorio de Investigación Naval (NRL) de los Estados Unidos e investigador principal del proyecto Sungrazer.

“Es muy emocionante que nuestro observatorio solar haya detectado tantos cometas desde su lanzamiento en 1995 —admite Bernhard Fleck, científico del proyecto SOHO de la ESA—. Estamos esperando con ilusión, al igual que el resto de los entusiastas de los cometas de todo el mundo, el descubrimiento número 4.000, que podría tener lugar muy pronto”. (Fuente: ESA)

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Por qué el viento solar está más caliente de lo esperado

Cuando se abre un extintor de incendios, el dióxido de carbono comprimido forma cristales de hielo alrededor de la boquilla, proporcionando un ejemplo visual del principio físico de que los gases y los plasmas se enfrían a medida que se expanden. Cuando nuestro Sol expulsa el plasma en forma de viento solar, este también se enfría a medida que se expande por el espacio, pero no tanto como las leyes de la física podrían predecir.

En un estudio publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, los físicos de la Universidad de Wisconsin-Madison proporcionan una explicación para la discrepancia en la temperatura del viento solar. Sus hallazgos sugieren formas de estudiar los fenómenos del viento solar en laboratorios de investigación y aprender sobre las propiedades de este en otros sistemas estelares.

“La gente ha estado estudiando el viento solar desde su descubrimiento en 1959, pero hay muchas propiedades importantes de este plasma que todavía no se comprenden bien”, dice Stas Boldyrev, profesor de física y autor principal del estudio. “Inicialmente, los investigadores pensaron que el viento solar tiene que enfriarse muy rápidamente a medida que se expande desde el Sol, pero las mediciones de los satélites muestran que a medida que llega a la Tierra, su temperatura es 10 veces mayor de lo esperado. Por lo tanto, una pregunta fundamental es: ¿Por qué no se enfría?”

El plasma solar es una mezcla fundida de electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente. Debido a esta carga, el plasma solar se ve influenciado por campos magnéticos que se extienden hacia el espacio, generados bajo la superficie solar. A medida que el plasma caliente escapa de la atmósfera más exterior del Sol, su corona, fluye a través del espacio como viento solar. Los electrones en el plasma son partículas mucho más ligeras que los iones, por lo que se mueven unas 40 veces más rápido.

Con más electrones cargados negativamente alejándose, el Sol adopta una carga positiva. Esto hace que sea más difícil para los electrones escapar de la atracción solar. Algunos electrones tienen mucha energía y siguen viajando por distancias infinitas. Los que tienen menos energía no pueden escapar de la carga positiva del Sol y son atraídos de vuelta a él. Al hacerlo, algunos de esos electrones pueden ser desviados de su camino muy ligeramente por colisiones con el plasma circundante.

Una máquina de espejos es un reactor de fusión lineal. Permite a los científicos aplicar la investigación de las máquinas para comprender los fenómenos de viento solar. (Foto: Cary Forest / UW–Madison)

“Hay un fenómeno dinámico fundamental que dice que las partículas cuya velocidad no está bien alineada con las líneas de campo magnético no son capaces de moverse en una región de un campo magnético fuerte”, dice Boldyrev. “Tales electrones que regresan son reflejados de tal manera que se alejan del Sol, pero nuevamente no pueden escapar debido a la fuerza eléctrica atractiva de la estrella. Así que su destino es rebotar de un lado a otro, creando una gran población de los llamados electrones atrapados”.

En un esfuerzo por explicar las observaciones de la temperatura en el viento solar, Boldyrev y sus colegas, los profesores de física de la UW-Madison, Cary Forest y Jan Egedal, buscaron en un campo relacionado, pero distinto, de la física del plasma una posible explicación.

En la época en que los científicos descubrieron el viento solar, los investigadores del plasma de la fusión nuclear estaban pensando en formas de confinarlo. Desarrollaron “máquinas de espejos”, o líneas de campo magnético llenas de plasma en forma de tubos con extremos apretados, como botellas con cuellos abiertos en cada extremo.

A medida que las partículas cargadas en el plasma viajan a lo largo de las líneas de campo, llegan al cuello de la botella y las líneas de campo magnético se ven “pellizcadas”. El “pellizco” actúa como un espejo, reflejando las partículas de vuelta a la máquina.

“Pero algunas partículas pueden escapar, y cuando lo hacen, fluyen a lo largo de líneas de campo magnético en expansión fuera de la botella. Debido a que los físicos quieren mantener este plasma muy caliente, quieren averiguar cómo la temperatura de los electrones que escapan de la botella disminuye fuera de esta abertura”, dice Boldyrev. “Es muy similar a lo que sucede en el viento solar que se expande lejos del sol”.

Boldyrev y sus colegas pensaron que podían aplicar la misma teoría de las máquinas de espejos al viento solar, observando las diferencias entre las partículas atrapadas y las que escapan. En los estudios de las máquinas de espejos, los físicos encontraron que los electrones muy calientes que escapaban de la botella eran capaces de distribuir su energía calórica lentamente a los electrones atrapados.

“En el viento solar, los electrones calientes fluyen desde el Sol a distancias muy grandes, perdiendo su energía muy lentamente y distribuyéndola a la población atrapada”, dice Boldyrev. “Resulta que nuestros resultados concuerdan muy bien con las mediciones del perfil de temperatura del viento solar y pueden explicar por qué la temperatura de los electrones disminuye con la distancia tan lentamente”, dice Boldyrev.

La precisión con la que la teoría de las máquinas de espejos predice la temperatura del viento solar abre la puerta para usarlas para estudiar el viento solar en el laboratorio.

“Tal vez incluso encontremos algunos fenómenos interesantes en esos experimentos que los científicos espaciales tratarán de buscar en el viento solar”, dice Boldyrev. “Siempre es divertido cuando empiezas a hacer algo nuevo. No sabes qué sorpresas te vas a llevar”. (Fuente: NCYT Amazings)

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Fabrican una célula solar con una eficiencia de cerca del 50 por ciento

Una nueva célula solar ha alcanzado una eficiencia de conversión de luz solar del 47,1 por ciento en condiciones de iluminación concentrada, batiendo así un récord mundial. Otra versión de la misma célula ha conseguido también un récord de eficiencia bajo iluminación solar no concentrada en un día despejado: 39,2 por ciento.

El equipo que lo ha hecho posible cuenta, entre otros, con John Geisz, Ryan France, Kevin Schulte, Myles Steiner y Andrew Norman, todos ellos del Laboratorio Nacional estadounidense de Energías Renovables (NREL).

Una forma de reducir el costo de los paneles solares es reducir el área de superficie de estos y ello puede hacerse usando un espejo para capturar la luz y enfocarla hacia un punto. Entonces puede bastar con emplear una centésima o incluso una milésima parte del material, en comparación con el necesario para un panel solar plano convencional de células de silicio. Una ventaja adicional es que la eficiencia aumenta cuanto mayor es la concentración de la luz.

Los científicos John Geisz (izquierda) y Ryan France han fabricado una célula solar cuya eficiencia está cerca del 50 por ciento. (Foto: Dennis Schroeder, NREL)

Geisz y sus colegas creen que muy probablemente las mejoras que introduzcan en su célula solar harán que su eficiencia de conversión de luz solar supere la barrera del 50 por ciento. En cualquier caso, no se puede alcanzar el 100 por cien de eficiencia debido a los límites fundamentales impuestos por la termodinámica. (Fuente: NCYT Amazings)

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Electricidad y agua caliente: el panel solar todo en uno

La generación eléctrica para autoconsumo y la producción de agua caliente son los dos aspectos principales del aprovechamiento de la energía solar a través de paneles solares. Ambos suponen tecnologías parecidas pero al mismo tiempo diferentes, de modo que, en función de las necesidades del usuario, suelen venderse como productos separados. Pero si lo que buscamos es una máxima independencia energética y reducir nuestra huella ecológica, es probable que estemos interesados en ambos sistemas a un tiempo. El problema es que no siempre dispondremos de suficiente superficie como para instalar paneles solares fotovoltaicos y térmicos a la vez. La solución: un sistema híbrido.

En efecto, la industria de la energía solar ha desarrollado paneles solares híbridos que reúnen en una misma estructura las dos ventajas: con ellos podremos producir electricidad y al mismo tiempo calentar el agua de nuestra calefacción o del circuito de agua sanitaria.

Aunque la solución parece obvia, no es frecuente y estos paneles solares se comercializan aún en bajas cantidades.  Esto podría cambiar en un futuro próximo. Sus ventajas hacen que valga mucho la pena tenerlos en cuenta cuando decidamos instalar un sistema de captación solar en nuestro hogar o industria.

Como su nombre sugiere, un sistema de paneles solares híbridos está diseñado para cumplir las dos funciones a un tiempo. En vez de instalar paneles de ambos tipos por separado, el objetivo aquí es reunir todas sus capacidades en uno solo, ahorrando espacio y costes futuros.

Lo cierto es que los paneles solares fotovoltaicos y los paneles térmicos utilizan una tecnología diferente de aprovechamiento de la luz solar. Los primeros alcanzan su máximo rendimiento recibiendo la parte ultravioleta del espectro solar, mientras que los segundos hacen lo propio con el infrarrojo (calor). Por su parte, un panel solar híbrido ha sido pensado para aprovechar casi toda la luz que le llega.

(Foto: Pixabay)

Los paneles híbridos actuales son mucho más avanzados que aquellos que se introdujeron en el mercado por vez primera, hace 4 o 5 décadas. De hecho, han seguido una evolución que ha ido incorporando sucesivas mejoras tecnológicas. Los primeros paneles solares híbridos apenas eran paneles fotovoltaicos que podían absorber también el calor y calentar una serie de conductos. Pero eran sistemas poco perfeccionados debido al imperfecto aislamiento del que estaban dotados, lo que impedía que trabajaran a gran temperatura. Se usaban pues en lugares donde no se requiriera calentar en exceso el agua.

Posteriormente los paneles solares híbridos fueron equipados con un sistema posterior ideado para evitar que se pierda tanto calor generado, y así puedan alcanzarse superiores temperaturas. A pesar de todo, la generación eléctrica se ve dificultada por las altas temperaturas, así que se logra un compromiso para que el panel pueda generar electricidad de forma aceptable.

En la actualidad los paneles híbridos incorporan, además de lo anterior, una cubierta delantera que también impide la pérdida de calor por delante del colector. Con el asilamiento completo garantizado, se consigue un máximo rendimiento a la hora de calentar el circuito de agua, útil sobre todo en zonas donde haga más frío.

Esta última generación de placas híbridas, sin embargo, será algo menos generosa en el apartado de producción eléctrica, así que el objetivo será elegir este diseño o el anterior, en función del lugar donde queramos instalar nuestros paneles: en un lugar frío o en un lugar caluroso, respectivamente.

Las dos tecnologías, fotovoltaica y térmica, pueden además trabajar en mutuo beneficio. Hacer pasar agua por el panel para calentarla puede al mismo tiempo refrigerar las células solares, que así podrán generar más electricidad.

Se calcula que utilizar un sistema híbrido permite ahorrar alrededor de un 40% de superficie ocupada por paneles solares. Es decir, reunir la misma funcionalidad, fotovoltaica y térmica, en el mismo sistema, ahorra mucho espacio, en comparación a si tuviéramos los dos sistemas por separado. Y demás conseguimos generar más electricidad, gracias a la refrigeración de las células, y calentar mayor cantidad de agua debido a las temperaturas alcanzadas.

Los paneles solares híbridos pueden instalarse en zonas residenciales, pero en general serán especialmente útiles en zonas de elevado uso de agua caliente. Si las necesidades van a ser elevadas en ambos ámbitos, eléctrico y térmico, ¿por qué no decidirse por un sistema híbrido? Nuestro bolsillo y el medio ambiente nos lo agradecerán. (Fuente: NCYT Amazings)

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Fabrican una célula solar con una eficiencia de cerca del 50 por ciento

Una nueva célula solar ha alcanzado una eficiencia de conversión de luz solar del 47,1 por ciento en condiciones de iluminación concentrada, batiendo así un récord mundial. Otra versión de la misma célula ha conseguido también un récord de eficiencia bajo iluminación solar no concentrada en un día despejado: 39,2 por ciento.

El equipo que lo ha hecho posible cuenta, entre otros, con John Geisz, Ryan France, Kevin Schulte, Myles Steiner y Andrew Norman, todos ellos del Laboratorio Nacional estadounidense de Energías Renovables (NREL).

Una forma de reducir el costo de los paneles solares es reducir el área de superficie de estos y ello puede hacerse usando un espejo para capturar la luz y enfocarla hacia un punto. Entonces puede bastar con emplear una centésima o incluso una milésima parte del material, en comparación con el necesario para un panel solar plano convencional de células de silicio. Una ventaja adicional es que la eficiencia aumenta cuanto mayor es la concentración de la luz.

Los científicos John Geisz (izquierda) y Ryan France han fabricado una célula solar cuya eficiencia está cerca del 50 por ciento. (Foto: Dennis Schroeder, NREL)

Geisz y sus colegas creen que muy probablemente las mejoras que introduzcan en su célula solar harán que su eficiencia de conversión de luz solar supere la barrera del 50 por ciento. En cualquier caso, no se puede alcanzar el 100 por cien de eficiencia debido a los límites fundamentales impuestos por la termodinámica. (Fuente: NCYT Amazings)

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Descubren y caracterizan en Saturno el sistema de nieblas en capas más extenso observado en el sistema solar

En la extensa atmósfera de hidrógeno del planeta Saturno, un mundo gigante, con unas diez veces el tamaño de la Tierra, se desarrolla una rica variedad de fenómenos meteorológicos que nos sirven para comprender mejor los que de forma semejante operan en la atmósfera terrestre. Entre ellos destaca por su singularidad el conocido “hexágono”, una sorprendente estructura ondulante que rodea a la región polar norte del planeta, y cuya forma parecería haber sido trazada por un geómetra.  

Descubierta en 1980 por las naves espaciales Voyager 1 y 2 de la NASA, ha sido observada ininterrumpidamente desde entonces, a pesar del intenso y largo ciclo de estaciones del planeta. Por el interior de esta gigantesca onda planetaria fluye una estrecha y rápida corriente en chorro en donde los vientos alcanzan velocidades máximas de unos 400 km/hora. Mientras, curiosamente, la onda en sí misma permanece casi estática; es decir, apenas se desplaza con respecto a la rotación del planeta. Todas estas propiedades hacen que el “hexágono” sea un fenómeno altamente atractivo para los meteorólogos e investigadores de las atmósferas de los planetas.

La nave Cassini, que estuvo en órbita del planeta entre los años 2004 y 2017, tomó una inmensa cantidad de imágenes desde muy variadas distancias al planeta y ángulos de visión. En junio del año 2015, su cámara principal obtuvo imágenes del limbo del planeta a muy alta resolución, capaces de resolver detalles de 1-2 km, que capturaban las nieblas situadas sobre las nubes que trazan la onda hexagonal. Además, utilizó muchos filtros de color, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano, permitiendo así estudiar la composición de estas nieblas. Como apoyo para este estudio se usaron también imágenes del Telescopio Espacial Hubble tomadas 15 días más tarde y que muestran al hexágono no en el limbo sino visto desde arriba. “Las imágenes de Cassini nos han permitido descubrir que, como si formaran un “sandwich”, el hexágono tiene un sistema multicapa de, al menos, siete neblinas que se extienden desde la cima de sus nubes hasta más de 300 km de altura sobre ellas”, ha declarado el profesor Agustín Sánchez Lavega, quien lidera el estudio. “Otros mundos fríos como el satélite Titán de Saturno o el planeta enano Plutón tienen también capas de nieblas, pero no en tal número, ni tan regularmente espaciadas”.

Cada capa de niebla tiene entre 7 y 18 kilómetros de espesor en vertical y de acuerdo con el análisis espectral contienen partículas muy pequeñas con radios del orden de 1 micra. Su composición química es exótica para nuestros estándares terrestres, ya que, debido a las bajas temperaturas en la atmósfera de Saturno, entre 120°C y 180°C bajo cero, pudieran estar compuestas por cristalitos de hielo de hidrocarburos como el acetileno, propino, propano, diacetileno, o incluso butano en el caso de las nieblas más altas.

Otro de los aspectos que el equipo ha estudiado es la regularidad en la distribución vertical de las nieblas. La hipótesis que proponen es que las nieblas están organizadas por la propagación vertical de ondas de gravedad que generan oscilaciones en la densidad y temperatura de la atmósfera, fenómeno bien conocido en la Tierra y otros planetas. Los investigadores plantean que es la propia dinámica del hexágono y su intensa corriente en chorro la que puede estar detrás de la formación de estas ondas de gravedad. En la Tierra también se han observado este tipo de ondas generadas por la corriente en chorro ondulante que con velocidades de 100 km/h se dirige de Oeste a Este en las latitudes medias. El fenómeno pudiera ser semejante en ambos planetas, si bien las peculiaridades de Saturno hacen que este sea un caso único en el sistema solar. Este es un aspecto que queda pendiente para futuras investigaciones. (Fuente: UPV/EHU)

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