5. LA NANOTECNOLOGÍA Y EL DESAFÍO ENERGÉTICO

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1 5. LA NANOTECNOLOGÍA Y EL DESAFÍO ENERGÉTICO Emilio Méndez Director del Centro de Nanomateriales Funcionales Laboratorio Nacional de Brookhaven, Nueva York, Estados Unidos 1. Introducción Una de las principales misiones del estado moderno es proporcionar las estructuras e incentivos que estimulen el progreso de sus ciudadanos, incluido el económico. De ahí que para medir el éxito de un país usemos baremos como el producto interior bruto o la renta anual per cápita. Así, para ilustrar el «milagro chino» decimos que en los últimos diez años su renta per cápita (PPP) prácticamente se ha triplicado, de dólares en 2000 a en Y cuando queremos indicar cuánto camino le queda a China por recorrer lo comparamos, por ejemplo, con la renta de Estados Unidos, que es seis veces superior. Igualmente podríamos emplear el consumo de energía como criterio de éxito, pues existe una fuerte correlación entre desarrollo económico y uso de energía, como se ilustra en el gráfico 1. Gráfico 1. Correlación entre el consumo de energía y el producto interior bruto per cápita (PPP, $2006 USD), en una muestra de países. El consumo de energía tiende a saturarse a partir de los $25,000 de renta, como resultado del paso de una economía basada en la manufactura a otra basada en los servicios. La aparente eficiencia de la economía de servicios es posiblemente, en su mayor parte, una simple transferencia del consumo de energía a países en desarrollo Energy Consumption per capita (MWh) GDP per capita (Thousand USD) Fuente: International Energy Annual 2006.

2 Invariablemente, sobre todo en las primeras fases del desarrollo, a mayor renta per cápita mayor consumo de energía por habitante, con lo cual cualquier política dirigida a estimular el desarrollo económico lleva en la práctica aparejada una cláusula de aumento en el uso energético del país. Y si el objetivo es un crecimiento económico global de un 3% anual, en primera aproximación deberemos tener en cuenta un aumento parecido en el consumo global de energía, que en 1990 fue de 95 billones de Kwh; en el año 2010 alcanzó 140 billones, y para el año 2030 se estima que se aproximará a los 200 billones de Kwh. Hay dos «pequeños» problemas en este escenario de crecimiento ininterrumpido en el consumo de energía: primero, que las fuentes de energía primaria mayoritariamente usadas (carbón, petróleo, y gas natural) no son inagotables; y, segundo, que en su transformación en energía útil se generan gases (sobre todo dióxido de carbono) que perduran en la atmósfera por muchos años y afectan al clima global. Si a esto se añade que dichas fuentes están muy desigualmente repartidas geográficamente, y que no es infrecuente que importantes productores de petróleo y con las reservas más abundantes sean países frágiles políticamente o no especialmente amistosos con los mayores consumidores de energía, los elementos para una crisis mundial de largo alcance están servidos. En cualquier caso, no sería la primera crisis de este tipo que debiera haber cambiado nuestro «comportamiento energético». En 1973 el año de la primera gran crisis del petróleo el consumo mundial de energía era de 66 billones de kwh, de los cuales el 86,6 % procedía de carburantes fósiles. La producción de energía eólica, solar y geotérmica, sumada, apenas representaba el 0,1% de ese consumo, y la energía nuclear el 0,9 %. Para paliar los efectos de posibles crisis futuras, al año siguiente el Congreso de Estados Unidos creó el Instituto de Investigación Solar, que en 1991 fue elevado de categoría y rebautizado como Laboratorio Nacional para Energías Renovables. Otros países occidentales, incluida España, tomaron acciones parecidas. Y sin embargo, en 2008 todavía el 81,3% de la energía consumida la producían los carburantes fósiles y el 5.8% los procesos nucleares; tan sólo el 0,7% era de origen eólico, solar, o geotérmico. Más aún, para entonces el consumo mundial se había duplicado, llegando a los 134 billones de kwh. Puesto que naturalmente ningún dirigente político desactivaría conscientemente, ni siquiera ralentizaría, el desarrollo económico de su país, la solución a corto plazo no puede ser otra que reducir la energía que se desperdicia y aumentar la eficiencia de la que se aprovecha. A largo plazo, el objetivo es encontrar fuentes de energía abundante, «limpia» (es decir, que no produzca gases que afectan al clima), segura, y económicamente competitiva con las fuentes actuales. En ambos casos, la solución pasa por la tecnología, o bien la ya establecida (como se explica en otras artículos de este volumen) o bien la emergente, por ejemplo, la nanotecnología. En lo que sigue, se resumen los rasgos distintivos de esta nueva tecnología y se dan algunos ejemplos de cómo empieza a explotarse para reducir nuestra dependencia de energías no renovables.

3 2. Características de la nanotecnología La nanotecnología se refiere a las aplicaciones prácticas basadas en la ciencia de los materiales a escala nanométrica, o nanociencia. (Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro.) Para hacernos una idea de esta escala submicroscópica, pensemos que la anchura de un cabello humano es entre cincuenta y cien mil nanómetros, que el tamaño de un virus es de 10 nm, y que el diámetro de un átomo es aproximadamente 0.5 nm. Llamamos nanomateriales a aquellos en los que al menos una de sus dimensiones es inferior a los cien nanómetros, una frontera arbitraria y sin duda flexible. Una característica evidente de las partículas es que cuanto menor es su tamaño más fácil les es acceder a los lugares más recónditos. Esta propiedad se empieza a explotar en medicina, para el diagnóstico y tratamiento de tumores. Así, nanopartículas fluorescentes o magnéticas previamente funcionalizadas con moléculas biológicas capaces de reconocer tejidos malignos, una vez inyectadas en animales por vía intravenosa, recorren el organismo a través del flujo sanguíneo, hasta fijarse en regiones receptoras a la molécula funcionalizadora de la nanopartícula. Un detector externo adecuado localiza las partículas y por tanto el tejido buscado. Si las nanopartículas son radioactivas entonces pueden actuar como centros locales de radiación muy próximos al tumor en cuestión, evitando así el daño a los tejidos sanos. Otra propiedad importante de las partículas en general es el aumento creciente de la importancia de su superficie en relación con su volumen a medida que se reduce su tamaño, es decir, que la proporción en que disminuye el área de su superficie es menor que la de reducción del volumen. Por tanto, procesos químicos (como la catálisis) en que la velocidad de reacción depende de fenómenos que tienen lugar en la superficie de materiales (catalizadores), se favorecen considerablemente cuando éstos son de tamaño nanométrico. La más importante pero menos intuitiva característica de un nanomaterial es que sus propiedades eléctronicas se rigen no por la mecánica «clásica» que gobierna el comportamiento macroscópico sino por la llamada mecánica cuántica, por la cual el tamaño de un objeto puede afectar dramáticamente a propiedades tan básicas como el color o la conductividad eléctrica. La nanotecnología explota estas tres características de los nanomateriales, lo mismo si se trata de aplicaciones en productos deportivos o cosmética, que de nanomedicina, nanoelectrónica o aplicaciones energéticas. A continuación se describen varios ejemplos relacionados con la mejora de la eficiencia energética (concretamente energía eléctrica), el almacenamiento de energía y la energía solar. 3. Nanotecnología y eficiencia energética El primer gran paso para reducir el consumo de energía es aumentar la eficiencia de su uso. Por ejemplo, de los 28 billones de kwh consumidos en Estados Unidos en 2009, sólo 12 billones (es decir, el 42%) fueron directamente aprovechables para el transporte, la industria y los edificios. El resto la mayoría fue

4 energía desperdiciada, sobre todo en el uso de motores de combustión interna en todo tipo de automóviles y en la producción de energía eléctrica para iluminación residencial o comercial. En el primer caso, las leyes de la termodinámica ponen un límite a la eficiencia teórica máxima de los motores, pero en la práctica aún queda margen hasta alcanzar ese límite. La gran mejora resultaría de la conversión global al motor eléctrico: en un automóvil convencional sólo la octava parte de energía contenida en la gasolina termina moviendo las ruedas, mientras que en un coche eléctrico la cuarta parte de la energía primaria necesaria para producir la electricidad se convierte en energía mecánica. De ahí, el valor del coche eléctrico, pese a las dificultades prácticas de masificar su uso, como se verá más abajo. En cuanto a la energía desperdiciada en la iluminación de edificios, basta considerar que para obtener dos unidades de energía luminosa en una bombilla convencional, hacen falta cien unidades a la entrada de una planta de producción eléctrica por carbón: 62 unidades se pierden en la generación de la electricidad, 2 en su transmisión y 34 en la bombilla misma. La eficiencia de una luz fluorescente es entre cuatro y cinco veces mayor, de ahí la legislación en la Unión Europea (y más recientemente en Estados Unidos) para reemplazar las lámparas incandescentes por las fluorescentes. En principio, se podría reducir el consumo por otro factor de dos más usando exclusivamente diodos emisores de luz blanca, pero quedan dos problemas que resolver antes de que éstos sean aceptados por el público, incluso como sustitutos de los tubos fluorescentes: su elevado precio y el tono de la luz blanca que emiten. Un diodo blanco actual consiste de un diodo emisor de luz azul recubierto por fósforos que emiten luz amarilla o naranja cuando son excitados por la luz azul. La combinación de esos colores produce luz blanca, pero, dependiendo del fósforo utilizado, ésta dista de parecerse a la que emite una bombilla (la más parecida a la luz solar) o su eficiencia es considerablemente menor que la de otros fósforos. Varios laboratorios de investigación estudian reemplazar los fósforos por una serie de puntos cuánticos, que producen una luz parecida a la solar y con una eficiencia más del doble que la de un tubo fluorescente. Un punto cuántico es un material semiconductor (frecuentemente CdSe) de forma cilíndrica y con un espesor y un diámetro de unos pocos nanómetros, que emite luz cuando se le excita con electrones (o con luz de longitud de onda inferior a la de emisión del punto cuántico mismo). El color de la luz de emisión depende del tamaño del punto cuántico, pasando del rojo al azul según disminuye su diámetro, de modo que usando puntos de distintos tamaños se consigue cualquier mezcla de colores. Aparte de su elevado precio, los emisores de luz blanca basados en puntos cuánticos tienen el problema de que las corrientes que necesitan para producir la intensidad de luz suficiente para iluminación degradan los materiales y reducen la vida de los emisores. Las investigaciones actuales buscan puntos cuánticos basados en nuevos materiales inmunes al aire o la humedad, que son las principales causas de su degradación. Gracias a la alta tensión, comparadas con las otras pérdidas mencionadas, las que ocurren en las líneas de transmisión eléctrica son relativamente bajas (el 7%). Así y todo, es esencial reducirlas al máximo usando un conductor de electricidad con la mayor conductividad posible. En principio, los nanotubos de

5 carbón representan una alternativa al cobre usado actualmente que podría bajar las pérdidas de transmisión al 5%. Se han desarrollado ya técnicas para fabricar bobinas de nanotubos, pero aún falta mucho hasta conseguir la uniformidad y longitud necesarias para las líneas de alta tensión. Otra posibilidad más realista para reducir o incluso eliminar las pérdidas por transmisión es usar cables de un material superconductor, que pierde la resistencia eléctrica por debajo de una temperatura crítica y que además puede transportar corrientes hasta cinco veces más altas que cables de cobre del mismo diámetro. La dificultad estriba en que no existe ningún material que sea superconductor a temperatura ambiente: los materiales más prometedores son BSCCO (Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10-x ) y YBCO (YBa 2 Cu 3 O 7 x ), con temperaturas críticas de 165 C y 180 C, respectivamente. A pesar del gasto y la inconveniencia que supone enfriar un material hasta temperaturas tan bajas, hay situaciones en que merece la pena, sobre todo cuando se necesita una densidad de corriente muy elevada. Este es el caso de las grandes ciudades, donde uno de los graves problemas de infraestructura es la congestión de servicios subterráneos, compitiendo por un espacio muy limitado. Actualmente hay numerosos proyectos piloto de investigación en colaboración con empresas eléctricas en Europa, Japón y Estados Unidos que exploran la viabilidad de usar cables superconductores de BSCCO o de YBCO a gran escala. Los cables superconductores tienen además la ventaja de que no pueden transportar corriente por encima de un valor crítico, lo que les permite servir también de limitadores de corriente para evitar picos de corriente que pueden dañar las subestaciones y otros nodos de la red eléctrica. Los cables superconductores se empiezan a aplicar incluso en los generadores de electricidad a partir de energía eólica marina, porque son eficientes y eliminan mecanismos pesados y proclives a las averías en las turbinas convencionales. Esas aplicaciones se benefician de una corriente crítica alta, que en los cables de BSCCO de primera generación alcanzan los 10 4 A/cm 2 en longitudes superiores al kilómetro. En la segunda generación de cables, que emplean YBCO cristalino, en condiciones comparables, dicha corriente es cien veces superior. Este drástico aumento se debe en parte a la inserción de nanopartículas en el material, que anclan el flujo magnético y evitan la disipación de energía, como ilustra el gráfico 2, mostrando la dependencia de la corriente crítica con el campo magnético para diferentes formas de preparar el material YBCO. 4. Nanotecnología y almacenamiento de energía El camino para reducir el consumo energético y la dependencia de los combustibles fósiles pasa por la electrificación masiva de los vehículos que funcionan con derivados del petróleo. Para hacer realidad tal objetivo, los principales problemas a resolver son el almacenamiento de energía eléctrica en baterías ligeras, baratas y seguras, y el acceso fácil a estaciones de servicio donde existan recargadores rápidos. Este segundo problema es más de decisiones políticas y de cálculos económicos que de obstáculos tecnológicos, pero no así el primero, cuya solución está supeditada a encontrar la forma de al menos doblar la energía

6 específica, o densidad de energía (energía por unidad de masa), almacenada en las baterías de Li actuales. Gráfico 2. Corriente máxima (crítica) que puede circular por un cable superconductor en presencia de un campo magnético. El objetivo es conseguir corrientes críticas muy elevadas e influidas lo menos posible por un campo magnético. El gráfico muestra que la corriente crítica de un superconductor de alta temperatura como YBCO se reduce considerablemente bajo un campo a menos que el material esté nanoestructurado. En este caso, su comportamiento a la temperatura del nitrógeno líquido ( 196 C) es comparable a la de un superconductor convencional de baja temperatura como NbTi o Nb3Sn a una temperatura de 269 C 10 Critical Current Density (MA/cm 2 ) 1 0,1 0,01 0,001 0, Magnetic Field (T) Cortesía de X. Obradors, Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, CSIC. La promesa del coche eléctrico no es nueva. En realidad, fue popular a finales del siglo XIX y principios del XX, hasta que se hizo patente la principal ventaja del motor de combustión interna movido por gasolina: su energía específica (2500 Wh/kg) es más de veinte veces superior a la de las mejores baterías actuales (Li-ion), y más de cincuenta veces mayor que la de las únicas baterías que existían hace un siglo (baterías ácidas de plomo). La energía específica determina la distancia que un vehículo puede recorrer sin recargar su batería. Con ser importante esta característica, no es la única que es necesario optimizar. Casi tan importante es la habilidad para acelerar, que está limitada por la rapidez con que se puede suministrar la energía eléctrica almacenada para convertirla en energía mecánica, es decir la potencia específica, o densidad de potencia (potencia por unidad de masa), que suministra la batería. Los valores de ambos parámetros energía y potencia específica se muestran en el gráfico 3 para diferentes tipos de baterías. Las de hidruros de metal (Ni-MH) son en principio suficientes para el coche híbrido (HEV) convencional, aunque en la práctica se usen baterías de Li-ion, de mayor capacidad. En un vehículo híbrido el motor eléctrico es subsidiario al motor de combustión interna, mientras que en un híbrido plug-in (PHEV) es al revés: el motor primario es

7 eléctrico y el de combustión interna entra en funcionamiento sólo cuando se descarga la batería. Con una batería de Li-ion, los vehículos del tipo PHEV que se han introducido recientemente en el mercado consiguen una autonomía eléctrica de unos 60 kms. Gráfico 3. Comparación de las prestaciones de distintos tipos de dispositivos electroquímicos usados para almacenar energía eléctrica en automóviles. La distancia que se puede recorrer entre descargas es proporcional a la energía por unidad de masa almacenada, mientras que la aceleración está determinada por la potencia por unidad de masa 200 years Cortesía de V. Srinivasan, Lawrence Berkeley National Laboratory. El Departamento de Energía de Estados Unidos estima que para que un vehículo eléctrico (EV) sea viable comercialmente es antes necesario desarrollar baterías como mínimo con el doble de energía específica que las de Li-ion actuales. Numerosos grupos de investigación en todo el mundo persiguen ese difícil objetivo, explorando nuevos materiales y nuevas configuraciones, y un número considerable de científicos, entre ellos W. Han, del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) del Laboratorio Nacional de Brookhaven, usa materiales nanoestructurados para aumentar la capacidad, o densidad de carga almacenada, y por tanto la densidad de energía. El litio tiene la ventaja de ser el metal más ligero, además del más electropositivo (lo que determina el voltaje de la batería). El ánodo (electrodo negativo) de las baterías de Li-ion es esencialmente grafito, entre cuyas capas se intercala el litio durante el proceso de carga. En principio, el estaño (Sn) y el silicio (Si) son materiales más idóneos para el ánodo porque el número de átomos de litio que se almacenan por cada átomo de Sn o Si es mayor que en el caso del grafito. Por otro lado, en ambos casos se forman aleaciones de litio, que conllevan una varia-

8 ción notable de volumen entre los procesos de carga y descarga, y que termina limitando el número total de recargas de la batería antes de su degradación. El grupo de W. Han parece haber encontrado solución a una parte del problema. En uno de sus trabajos recientes, en lugar de usar Sn elemental, el grupo ha probado como material para el ánodo diferentes compuestos intermetálicos de Sn, entre ellos FeSn 2 en forma de nanoesferas de 40 nm de diámetro. De este modo han conseguido un electrodo con una capacidad superior a la del electrodo de grafito. En otro trabajo, el grupo ha utilizado nanoalambres de silicio, que contiene poros de 5 nm que aumentan la superficie disponible para el almacenamiento de Li sin apenas cambio de volumen (Gráfico 4). Para mejorar la conductividad eléctrica, han añadido partículas de carbón, y mejor aún capas de grafeno (una monocapa de átomos de carbono), obteniendo así una capacidad cuatro veces superior a la del grafito. Gráfico 4. Imagen tomada con microscopio electrónico de nanoalambres de silicio poroso que se usan en el ánodo de baterías de Li-ion Cortesía de W. Han, Center for Functional Nanomaterials (CFN), Brookhaven National Laboratory. Pero el principal problema, aún sin resolver, es el número de ciclos de carga y descarga que tales electrodos pueden aguantar sin degradarse. Tanto en el caso de FeSn 2 como en el de Si poroso, la capacidad del electrodo sólo disminuye ligeramente después de unas decenas de ciclos, pero dista mucho de permanecer estable durante cientos, y menos aún los miles de ciclos que se requieren para comercializar una nueva batería (gráfico 5). Por el momento, el grafito sigue siendo el material preferido para el ánodo a pesar de que su capacidad es relativamente baja. Al fín y al cabo, todos queremos que nuestros teléfonos móviles se puedan recargar más de veinte veces!

9 Gráfico 5. Cantidad de carga eléctrica por unidad de masa almacenada en una batería de Li que usa nanoalambres de Si poroso como ánodo, comparada con otra que usa grafito graphit Cortesía de W. Han, CFN, Brookhaven National Laboratory. 5. Nanotecnología y energía solar Como ya apuntaba el Prof. A. Luque en una conferencia sobre energía solar resumida en un volumen anterior de esta serie, «para un desarrollo de la energía solar como energía predominante hará falta desarrollar una tecnología barata.» Efectivamente, uno de los retos de la energía solar para ser competitiva con la energía eléctrica generada por una planta convencional es su abaratamiento. Los otros dos desafíos, que se derivan de la intermitencia de la radiación solar y de la diferencia de intensidad con que se recibe en lugares distintos, son el almacenado de energía eléctrica a gran escala y la adaptación de la red eléctrica para poder absorber las considerables fluctuaciones en la «oferta» de energía. Como se muestra en el gráfico 6, desde 1976, cada vez que se ha duplicado el número de paneles instalados el precio del módulo solar se ha reducido un 20%. A este ritmo, un coste de $0.40/Wp, que haría a la energía solar competitiva con la energía eléctrica generada a partir de combustibles fósiles, no se alcanzaría hasta dentro de unos 20 años. Para acelerar el día en que los sistemas fotovoltaicos estén implementados a gran escala será necesaria una revolución tecnológica producida por materiales (en volumen o en forma de película delgada) más eficientes y más baratos que los actuales. Aunque las grandes instalaciones de energía fotovoltaica están basadas en células de silicio (monocristal o policristalino), y en forma creciente en películas delgadas de telururo de cadmio (CdTe), las células solares que usan materiales orgánicos tienen dos ventajas bajo coste y flexibilidad en cuanto a las superficies donde pueden depositarse. Sus desventajas principales son la baja eficiencia en la conversión de energía y la limitada durabilidad tres o cuatro años, frente a los 30 de una célula de silicio. Por otro lado, la eficiencia de una célula de silicio monocristalino llega hasta el 25% mientras que la de una orgánica apenas pasa del 8%, y eso en condiciones óptimas. Pero si en el caso del silicio la tecnología está madura y la eficiencia se aproxima ya al límite teórico, la de las células orgánicas es mucho más incipiente y aún quedan muchas oportunidades de mejora antes de alcanzar el tope teórico de eficiencia

10 Gráfico 6. Evolución del precio de un módulo fotovoltaico (en dólares constantes, 2003) con el número de módulos instalados mundialmente. El precio ha bajado considerablemente desde 1976 debido sobre todo al drástico aumento en el número de módulos instalados en los últimos años. Las regiones coloreadas en la zona a la derecha del gráfico se refieren a las de proyecciones en el progreso de células de Si cristalino (verde), películas delgadas (marrón claro), y nuevas tecnologías aun por desarrollar PV Module Price (2003 $/Wp) Cumulative Production (MWp) Cortesía de P. Dehmer, Office of Science, Departamento de Energía de Estados Unidos. Numerosos grupos de investigación persiguen tales mejoras, bien explorando nuevos materiales que absorben más luz y conducen mejor la electricidad o bien usando los polímeros tradicionalmente empleados en células orgánicas pero con estructuras novedosas que aumenten la colección de carga electrónica generada por la luz. Esta segunda vía es la seguida por el grupo de C. Black en el CFN del Laboratorio Nacional de Brookhaven, que confinando el material orgánico sensible a la luz dentro de nanotubos de óxido de aluminio ha logrado duplicar la densidad de corriente fotogenerada. El gráfico 7 muestra una matriz de óxido de aluminio poroso formado mediante la anodización de un bloque de aluminio. Los nanoporos, cuyo diámetro, profundidad y separación pueden controlarse a voluntad, forman una estructura hexagonal regular que se rellena con una mezcla de los dos polímeros típicos (tipos n y p) usados en células solares orgánicas convencionales. Este confinamiento permite obtener densidades de fotocorriente más del doble que en los dispositivos en que el material orgánico activo no está confinado, como se refleja en el gráfico 8. Ese aumento de la corriente es probablemente resultado de la reorganización de las cadenas poliméricas causada por su confinamiento en los nanoporos y que favorece la movilidad de la carga eléctrica. El siguiente paso es optimizar la relación entre el tamaño de los poros y la distancia entre ellos, de modo que se minimice el espacio «desperdiciado» por las paredes de los poros.

11 Gráfico 7. Matriz de óxido de aluminio, preparada mediante anodización de un bloque de aluminio. La matriz está formada por nanoporos organizados en una estructura hexagonal. El diámetro de los poros y el periodo de la estructura (en este caso, 70 nm y 110 nm) pueden controlarse durante la anodización Cortesía de J. Allen, Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory. Gráfico 8. Densidad de fotocorriente en una célula solar orgánica en la que el material sensible a la luz se ha confinado en una matriz de óxido de aluminio como la de la figura 7. Como comparación, se muestra también la fotocorriente de una célula orgánica convencional, en que el material no está confinado Cortesía de J. Allen, Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory. También las células solares de semiconductores inorgánicos empiezan a usar la nanotecnología para implementar nuevos conceptos que permitan soslayar los límites teóricos de eficiencia en estructuras sencillas. Una idea prometedora es la célula solar de banda intermedia, propuesta por Luque y Martí de la Universidad Politécnica de Madrid en 1997 y que en principio permitiría conseguir eficiencias de hasta el 63% (ver gráfico 9). Conceptualmente, la novedad consiste en añadir una banda electrónica intermedia entre la banda de valencia (ocupada con

12 electrones) y la de conducción (vacía), de modo que el material puede absorber eficientemente fotones con tres longitudes de onda distintas. Gráfico 9. Esquema de bandas de energía en un semiconductor imaginario en el que, además de las bandas de valencia (VB) y de conducción (CB), existiera otra intermedia entre esas dos. Esta nueva banda permitiría al material absorber eficientemente luz de diferentes colores Cortesía de A. Luque, Universidad Politécnica de Madrid. La dificultad práctica estriba en encontrar un semiconductor con esa estructura de bandas tan peculiar. Sin embargo, usando puntos cuánticos, es posible conseguir una configuración de banda intermedia, como demostró en 2004 el grupo de Luque. Si se colocan nanocristales dentro de un semiconductor, los estados cuánticos de energía de aquéllos proporcionan una banda de niveles intermedia entre las de valencia y conducción del semiconductor. En el trabajo de 2004 los nanocristales que se usaron eran puntos cuánticos de arseniuro de indio (InAs) que estaban inmersos en una matriz de arseniuro de galio (GaAs), como se muestra esquemáticamente en el gráfico 10. Las eficiencias más altas (16%) obtenidas hasta ahora en células solares de banda intermedia están aún lejos del límite teórico. Para aproximarse a él será antes necesario reducir las tensiones mecánicas internas que se producen al crecer epitaxialmente dos materiales con una constante de red tan diferente como InAs y GaAs.

13 Gráfico 10. Prototipo esquematizado de una célula solar de banda intermedia que usa puntos cuánticos de arseniuro de indio (InAs) para crear una banda intermedia de energía entre las bandas de valencia y conducción del arseniuro de galio (GaAs), que actúa como matriz en la que están inmersos los puntos cuánticos Fuente: A. Luque et al., Journal of Applied Physics, 96, 903 (2004). 6. Es la nanotecnología la solución al reto energético? En las secciones anteriores hemos ilustrado con algunos ejemplos prácticos cómo los científicos y tecnólogos están explotando las características únicas de los nanomateriales para encontrar soluciones a los múltiples desafíos que presenta una civilización en la que el consumo de energía por persona aumenta de año en año y en la que la población mundial crecerá casi un 40 % en los próximos 40 años. Naturalmente, este ritmo en el consumo total de energía es insostenible, al menos mientras las fuentes primarias de energías sean tan limitadas y tan nocivas para el medio ambiente como la mayoría de las que se usan actualmente. Aumentar la eficiencia en el uso de dichas fuentes, mejorar la seguridad de la energía nuclear antes de extender su uso, y hacer económicamente competitivas las fuentes no contaminantes son tareas imperativas a corto y largo plazo. A corto plazo, las tecnologías «evolutivas» contribuirán a paliar los problemas derivados del uso de carburantes fósiles. En la medida en que la nanotecnología dé respuesta a dichos problemas con soluciones evolutivas será relevante de forma casi inmediata. Pero las soluciones revolucionarias que pueden esperarse de esta tecnología emergente aparecerán de modo imprevisible y contribuirán a soluciones duraderas a largo plazo una vez que hayan demostrado un valor muy superior al de las tecnologías maduras existentes. Los efectos acumulativos de los carburantes fósiles en la atmósfera ya se han hecho sentir a escala global, y sin duda tales efectos se agudizarán en el futuro. El problema es de una complejidad y una urgencia tales que su solución exige echar mano de todas las herramientas disponibles. En este sentido, la nanotecnología es una de las más importantes de que disponemos.

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