La energía solar, Tesla y los electrones: el zumbido de la energía directa para abril de 2020

¡Bienvenidos a la edición de abril de 2020 del zumbido de la energía directa! Este mes, vamos a cubrir las innovaciones y nuevos materiales que potencialmente podrían cambiar los viajes, la energía solar y la futura potencia de computación. Y todas estas cosas geniales se están desarrollando por lo que estamos aprendiendo sobre la vida secreta de los electrones. Parece que una vez que entran en ciertas sustancias bajo ciertas circunstancias, estas partículas subatómicas se comportan de manera interesante y útil.

Energía solar para teñir!

Imagina un mundo donde los techos de la mayoría de las casas están cubiertos con paneles solares para captar la energía del sol.

La empresa israelí 3G Solar Photovoltaics ha ideado una potente tecnología de células solares de tinte que tiene el potencial de eliminar los aparatos electrónicos de consumo de interior y los cargadores de aparatos que utilizan baterías. Las células obtienen su energía de la iluminación directa o indirecta.

Una célula solar de tinte es una célula solar de película fina que intercala un material de tinte molecular orgánico entre las placas positivas y negativas. La luz golpea la capa de tinte y sus electrones son excitados por la luz solar, como la clorofila de las hojas verdes. El tinte actúa como el electrolito en una batería electroquímica (como la batería de aleación) permitiendo que los electrones pasen a través de ella mientras mantiene los polos positivos y negativos aislados entre sí.

Hasta hace poco, la tecnología se enfrentaba al problema de desarrollar un material de tinte estable. Estas nuevas células solares tienen ahora una vida útil de 10 años y pueden emitir suficiente energía para alimentar periféricos de ordenador inalámbricos, relojes, cámaras de vigilancia – lo que podría llevar a la expansión de los aparatos de Internet de las cosas (IO).

¿Qué está pasando con Tesla?

¿Has visto una estación de carga Tesla en tu cuello del bosque?

Tesla Motors puede que acabe de lanzar su coche eléctrico más esperado, el asequible Tesla Model 3 de 35.000 dólares, pero sólo unas semanas antes de ese anuncio, Tesla terminó silenciosamente la producción de su Powerwall de 10 kilovatios hora. El Powerwallwas diseñado para ser la línea de baterías de reserva de Tesla para uso residencial. Aunque se anunció el año pasado a bombo y platillo, especialmente para la versión de 7 kWh, ninguna de las baterías de Tesla fue lanzada en los Estados Unidos.

De hecho, la compañía ni siquiera produjo el modelo de 10 kWh. El Powerwall de 10 kWh estaba programado para costar 3.500 dólares y ofrecer 500 ciclos de carga, pero los críticos lo criticaron con baterías de plomo ácido de ciclo profundo más baratas que vienen con la financiación. Para las casas con arreglos solares que esperan vender su exceso a las empresas de servicios públicos, el costoso Powerwall tenía poco sentido porque el propietario de la casa vendería su exceso de suministro por la noche – que es cuando las tarifas de electricidad son mucho más bajas.

Mientras tanto, los nuevos datos sobre el número potencial de conjuntos solares de techo podrían proporcionar 1.118 gigavatios (GW) de capacidad o alrededor del 39% de las ventas nacionales de electricidad. El reciente estudio de investigación del Laboratorio de Energía Renovable (NREL), titulado Potencial técnico de la energía solar fotovoltaica en los techos de los Estados Unidos: Una Evaluación Detallada, utilizó datos de detección de luz y alcance (LiDAR) para 128 ciudades en todo el país. El estudio demostró que el 83% de los pequeños edificios urbanos existentes eran adecuados para los paneles solares.

Aunque sólo el 26% de la superficie de la azotea de un edificio era apta para el desarrollo, hay muchos tejados de edificios pequeños que podrían albergar hasta 731 GW de capacidad fotovoltaica. Un edificio pequeño es aquel con una huella menor a 5.000 pies cuadrados (por ejemplo, una estructura de un solo piso de 70 x 70). Anualmente, la energía solar de los tejados tiene el potencial de generar 1.432 teravatios-hora (tWh).

Tal vez Tesla reconsidere su gran batería de Powerwall en el futuro.

¿Podrían los Electrones Dirac cambiar la informática?

Esta torpe placa madre se vuelve aún más obsoleta con cada desarrollo tecnológico que pasa.

Una placa de circuito de computadora común y corriente está diseñada con un gran dolor de cabeza en mente: el calor. El calor en un circuito proviene de la resistencia eléctrica cuando los electrones pasan a través de los cables metálicos o de los trazados de la placa de circuito impreso. Cuanta más energía se empuja a través de un circuito, más calor se acumula por la resistencia. Hasta ahora, la electrónica convencional ofrece la mayor velocidad que se puede obtener de los materiales que componen sus placas.

Los nuevos materiales muestran que todavía hay mucho espacio para mejorar.

¡Mira este grafeno en acción!

El grafeno es una lámina de un átomo de espesor de átomos de carbono unidos en una red. Es el material más ligero que se conoce, es 100-300 veces más fuerte que el acero, y es hiperconductor. Tan conductor que los electrones del grafeno están gobernados por la ecuación de Dirac. Los electrones de Dirac llevan el nombre de Paul Adrien Maurice Dirac, un físico teórico británico y uno de los desarrolladores originales de la teoría de la física cuántica.

Los electrones de Dirac hacen cosas interesantes. En la red de grafeno, los electrones actúan como si no tuvieran masa. Se comportan como fotones, ya que se mueven a la misma velocidad y no pueden detenerse. Sin embargo, pueden ser manipulados usando campos electromagnéticos. Eso significa que los electrones de Dirac pueden moverse en el tipo de material adecuado como nadie. Si buscas hacer circuitos para computadoras más rápidas usando electrones de Dirac, entonces necesitas encontrar materiales que también tengan estos electrones.

Y los fabricantes de electrónica han estado compitiendo para hacer precisamente eso. Se han encontrado electrones Dirac en varios metales como el seleniuro de bismuto dopado con cobre. Pero recientemente, los físicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de los Estados Unidos descubrieron un metal conocido comoPtSn4 (platino y estaño) con una estructura electrónica única que puede algún día conducir a computadoras de bajo consumo con mayor velocidad de procesador y almacenamiento de datos.

La PtSn4 es ultra-magnetoresistiva. La resistencia que surge del campo magnético -magnetoresis- se utiliza en contextos como la escritura de datos en discos duros. Exponer un metal no magnético a un campo magnético típicamente aumenta su resistencia y reduce la cantidad de corriente eléctrica que puede pasar a través de él.

Pero el PtSn4 es lo que se llama un metal topológico. Estos metales tienen ciertas deformaciones donde los campos magnéticos aumentan la conductividad de los electrones. Los científicos no sólo han descubierto una alta densidad de electrones de conducción «potenciada», sino que el metal también tiene lugares (nodos) donde los electrones de Dirac pueden arquearse de un lugar a otro, pareciéndose al mismo tipo de cosas que ocurren en el grafeno.

¿Qué significa esto para usted como consumidor medio de energía? Este tipo de tecnología podría traducirse en un procesamiento más rápido, una memoria más rápida y un almacenamiento de lectura y escritura más rápido usando mucha menos energía que el portátil más delgado de hoy en día. Y todo ello sin tener que calentar la máquina cuando la estás usando.