Aprovechar el oleaje

Teniendo en cuenta las graves consecuencias ambientales que se derivan del uso de combustibles fósiles y los riesgos asociados a la energía nuclear, debe incrementarse con la mayor prontitud posible el porcentaje de energía generada a partir de fuentes renovables. Esta es la recomendación del IPCC. En esta línea, la Unión Europea definió en Marzo de 2007 el objetivo de obtener el 20%  de la energía de fuentes renovables en el año 2020. El gobierno danés propuso en 2010 un objetovo del 30% para el 2025 y a más largo plazo se plantea alcanzar el 100%.

Para aumentar dicho porcentaje es neceario, por una parte, incrementar la producción de las renovables ya operativas, como la eólica y la solar, por otra, desarrollar la explotación de otras fuentes renovables como las marinas. Las principales energías marinas son la energía de las olas y la de las corrientes. Las corrientes marinas constituyen un recurso energético importante en ciertas zonas costeras en donde la velocidad del flujo supera  los 1.5m/s. Estas zonas suelen hallarse en cuerpos de agua semicerrados sometidos a mareas importantes. Hasta hace pocos años, la explotación de este recurso energético requería velocidades aún mayores, para lo cual era necesario concentrar el flujo mareal mediante diques, cuyo impacto ambiental era notable. En la actualidad pueden aprovecharse las corrientes de 1.5m/s o superiores sin necesidad de diques mediante el uso de turbinas sumergidas o dispositivos oscilantes. Con todo, debido al limitado número de zonas con corrientes de esta velocidad y con la profundidad necesaria para la instalación de los equipos, la energía marina con mayor potencial no es esta, sino la que poseen las olas.

La energía undimotriz puede considerarse una forma concentrada de energía solar, puesto que las olas son generadas por la acción del viento sobre la superficie del mar, y el viento, a su vez, es consecuencia de la energía solar captada por la atmósfera. La energía de las olas presenta una serie de ventajas con respecto a otras renovables, entre las que cabe destacar tres. En primer lugar, su reducido impacto ambiental, especialmente si se utilizan técnicas de aguas profundas, en las que los equipos se sitúan lejos de la costa. En segundo lugar, el elevado nivel de precisión con el que se puede estimar el recurso energético disponible en una zona determinada. Y, por último, el hecho de que existen muchas zonas en las que el recurso es abundante y su explotación resulta viable.

Dado que la energía undimotriz presenta variaciones geográficas notables, la explotación de la misma requiere, antes que nada, la evaluación del recurso. Ésta, se consigue a través de los datos recogidos por las boyas de la zona y mediante programas de modelización númerica. Según estos, el mayor potencial en España se encuentra en Galicia. En ambas áreas, la potencia media en aguas profundas es del orden de los 50kW/M, lo cual supone un recurso anual superior a 400MWh/m. Estos valores situan dichos tramos de costa española entre los más energéticos de Europa. Les siguen otras zonas de asturias, cantabria y país vasco con valores alrededor de 200MWh/m de recurso total anual.

El reto consiste en desarrollar sistemas fiables y eficientes que permitan convertir la energía de las olas en energía eléctrica (WEC: Wave energy converter). Entre las técnicas investigadas, figura  el WaveCat@, un equipo diseñado por la Universidad de Santiago de Compostela. Se trata de un sistema flotante formado por dos cascos, como un catamarán, con los cascos no paralelos sino convergentes. Éste, está diseñado para operar a profundidades de entre 50 y 100m, por lo que su impacto ambiental es reducido.

Refrigerantes Magnéticos II

La empresa citada anteriormente, persigue ahora la construcción de un aire acondicionado que pudiera instalarse en un apartamento de 90 metros cuadrados. Un pequeño disco formado por cuñas porosas fabricadas con una de esas aleaciones pasa por el hueco que deja un iman permanente situado en el mismo plano. En el hueco del iman, el campo magnético es más intenso, por lo que las cuñas se calientan cuando lo atraviesan. Acto seguido, la rotación del disco las aleja del imán y e enfrían de nuevo. Por el interior circula un fluido cuya temperatura también aumenta y disminuye, de manera que el fluido enfriado absorbe calor de la habitación. los imanes se diseñan de tal modo que el campo no se disperse en el exterior de la máquina y no afecte a los aparatos electrónicos cercanos.

Mientras que en los refrigeradores ordinarios la mayor parte del trabajo lo efectúa el compresor, en los dispositivos magnéticos lo realiza el motor que acciona el rodete. En general, el rendimiento de un motor supera con mucho al de un compresor. Astronautics se ha propuesto tener para 2013 un prototipo que reduzca un tercio el consumo eléctrico para una misma carga de refrigeración. Otra ventaja fundamental reside en que, para transferir el calor, la unidad no necesita más que agua. No obstante, existen ciertas limitaciones técnicas, a saber: controlar el flujo de agua por los poros de las cuñas resulta peliagudo, pues el disco gira a una velocidad de entre 360 y 600 revoluciones por minuto. Además, el imán se compone de una aleación de neodimio, hierro y boro de elevado precio, por lo que, para que resulte económicamente viable, habría que reducir su tamaño al máximo sin que la intensidad del campo magnético se resienta.

Otros expertos trabajan en otros sistemas. La empresa Sheetal , por ejemplo, investiga un mecanismo que elimina por completo la necesidad de refrigerantes. para ello, emplea materiales termoeléctricos, los cuales regulan  el flujo de calor cuando se hace circular por ellos una corriente eléctrica. de un modo u otro, una reducción en el consumo de combustible y menos emisiones de efecto invernadero para un planeta más fresco.

Refrigerantes Magnéticos I

Aunque acondicionadores de aire, frigoríficos y congeladores nos refrescan la existencia, lo consiguen a costa de grandes cantidades de energía: en U.S.A. acaparan hasta un tercio del consumo eléctrico doméstico.  Nuevas técnicas basadas en imanes podrían recortar esa cifra de manera espectacular.

La mayor parte de las neveras y aires acondicionados comprimen y descomprimen de manera cíclica un gas o un líquido refrigerante, el  cual realiza trabajo a costa  del calor que se extrae de la habitación o del aparato. El problema reside en que los compresores consumen enormes cantidades de energía; además, cuando se liberan a la atmósfera, la mayoría de los refrigerantes inducen un aumento de temperatura mil veces mayor que el provocado por el dióxido de carbono.

La compañía Astronautics Corporation of America trabaja en un refrigerante basado en imanes y que prescinde de compresores. Todos los materiales magnéticos se calientan en cierta medida cuando se exponen  a un campo magnético y vuelven a enfriarse cuando el campo desaparece, un fenómenos conocido como efecto magnetocalórico. Los átomos almacenan el calor en forma de vibraciones; cuando un campo magnético alinea los electrones de un metal e impide que se muevan con libertad, los átomos del metal vibran más y se calientan. Al suprimir el campo, la temperatura disminuye.  El fenómeno se descubrió en 1881, pero ha sido ignorado para fines comerciales porque, en teoría, para maximizar el rendimiento harían falta imanes superconductores enfriados mediante técnicas criogénicas. pERO, EN 1997, expertos en materiales del laboratorio Ames del Departamento de Energia de U.S.A. hallaron una aleación de galodinio, silicio y germanio que mostraba un enorme efecto magnetocalórico a temperatura ambiente.

Motores de ondas de choque

Hace más de un siglo que los motores de pistone spropulsan casi todos los vehículos. Incluso los actuales híbridos emplean pequeños motores de pistones para aumentar la potencia y recargar las baterías. Ahora, la universidad estatal de Michigan investiga un tipo de motor completamente distinto: conocido como motor de disco de ondas o de onda de choque, prescindiría de pistones. Según uno de los creadores del ingenio, se trata de un motor compacto, del tamaño de una cacerola y con muchos menos componentes que un motor ordinario, puesto que no necesita pistones, bielas ni bloque de cilindros. Gracias a su bajo peso  y a un rendimiento  mucho más elevado, permitiría que un automóvil híbrido con frenado regenerativo recorriese, con la misma cantidad de combustible, una distancia cinco veces mayor que ahora. Eso reduciría en el mismo factor las emisiones de dióxido de carbono y abarataría  hasta un 30% por ciento los costes de producción.

Por el momento, han logrado construir un generador de ondas de 33 caballos y esperan que el rendimiento  de su primera máquina llegue al 33%. Si bien la cifra va a la zaga del 45% del que gozan los motores diésel punteros, los investigadores se muestran optimistas sobre una serie de mejoras que aumentarían el rendimiento hasta el 65%. En los motores clásicos de encendido  por chispa, una bujía inflama una mezcla de gasolina y aire contenida en una cámara; la explosión empuja un pistón y este hace girar un cigüeñal que, a la postre, acciona las ruedas del vehículo. En un motor diésel, el pistón comprime con fuerza el combustible y el aire, lo que enciende la mezcla; los gases emitidos en la combustión se expanden e impulsan el pistón hacia atrás y éste acciona el cigüeñal.

En cambio, en un disco de ondas el proceso de generación de energía tiene lugar en el interior de una turbina en rotación. Imagínese un ventilador que descansa en posición horizontal sobre una mesa y rodeado por una pared exterior. Los espacios entre las aspas se llenan de combustible y aire caliente a alta presión. Cuando la mezcla se enciende, la combustión expande los gases del recinto y forma una onda de choque que comprime  el aire que llena el espacio restante. Las posteriores reflexiones de la onda contra las paredes comprimen y calientan aún más el aire, que en el momento preciso es liberado a través de la caja. La presión del gas sobre las aspas más la debida a la de los gases que escapan hace girar el rotor, que acciona el cigüeñal.

Lo díficil del asunto es manejar las corrientes gaseosas no estacionarias: predecir el comportamiento no lineal de los flujos intermitentes requiere unas simulaciones numéricas tan complejas que, según Müller (profesor de Michigan), hasta hace poco exigían un tiempo y una resolución tales que no compensaba dedicarse a ellas. Sin embargo, las simulaciones de última generación realizadas sirven ahora de guía en el diseño de la geometría precisa de las aspas y la sincronización ultrarápida de la combustión. En definitiva, es sólo cuestión de tiempo, esfuerzo y dinero que sean una realidad cotidiana.

Motores Térmicos

Desperdiciamos hasta un 60% de la energía que producimos. En automóviles y centrales eléctricas, gran parte de ella se disipa en forma de calor. Investigadores de General Motors intentan recobrar esa energía con ayuda de ciertos materiales conocidos como aleaciones con memoria de forma, que permitirían convertir ese calor en energía mecánica y después en electricidad. El primer objetivo consiste en reciclar el suficiente calor del escape de un vehículo como para accionar el aire acondicionado o la radio.

La idea se basa en recolectar el calor con una correa de hebras finas y paralelas fabricadas a partir de una aleción de níquel y titanio que recuerda una forma determinada. Tales aleaciones adoptan uno de dos estados; en este caso, uno rígido, a mayor temperatura, y otro flexible, a una temperatura más baja.  En el diseño de G.M. , la correa se tensa entre 3 poleas. Una de ellas se halla cerca del escape, mientras que otra se encuentra más alejada y, por tanto, en una zona más fría. La correa se contrae al pasar por el vértice caliente y se dilata en el frío, de manera que arrastra un árbol que acciona un generador. Por ahora, una pequeña cinta de 10 gramos genera una potencia de 2W.  Si estas aleaciones han abierto la puerta a aplicaciones hasta ahora consideradas imposibles, se debe a que funcionan con diferencias de temperatura tan bajas como diez grados.

El diseño de G.M. destaca por su sencillez pero no está exento de problemas, a saber: los materiales con memoria de forma se tornan quebradizos, insertarles el “recuerdo” inicial  requiere un proceso de tres meses y, construir  la correa a partir de las hebras no es sencillo, como tampoco lo es diseñar un dispositivo que se caliente y se enfríe de manera eficiente.  No obstante, en la universidad de Illinois se está investigando con materiales flexibles que convierten el calor en electricidad. Si esta clase de motores se tornase viable, sus aplicaciones no conocerían fin: desde las torres  de enfriamiento y las calderas industriales hasta los radiadores domésticos, frigoríficos, chimeneas y todo tipo de vehículos. En definitiva, un ahorro energético descomunal que reduciría de manera drástica el consumo de combustibles fósiles.

Fotoelectricidad cuántica

Las placas solares actuales transforman en electricidad solo el 15% de la luz que reciben a dia de hoy. Una razón se debe a que el rendimiento máximo teórico de una capa de Silicio fotoabsorbente asciende al 31%- las mejores placas logran el 26%. Sin embargo, investigaciones recientes sobre cristales semiconductores  o puntos cuánticos sugieren que dicho máximo teórico podría elevarse hasta el 60%.

en una célula ordinaria, los fotones incidentes arrancan electrones del silicio, lo que les permite circular a través de un hilo conductor y establecer una corriente. Por desgracia, una gran parte de los fotones poseen demasiada energía y, cuando chocan con el silicio, este libera “electrones calientes” que pierden con rapidez su energía en forma de calor y retornan  a su estado inicial antes de incorporarse  al hilo conductor. Si se lograsen atrapar esos electrones antes de que se enfríen, se doblaría el rendimiento de la placa.

Una solución consiste en aumentar el tiempo que los electrones tardan en enfriarse, lo que proporcionaría un margen mayor para capturarlos.  En el camino se interponen gran cantidad de obstáculos. Según Xiaoyang Zhu, el paso siguiente consiste en entender la física del proceso: describir el enfriamiento de los electrones y su paso al conductor. Cuando hayamos entendido todo eso, podremos decidir qué materiales hemos de utilizar. Llevará tiempo, pero confío en que lo lograremos- afirma Zhu.