Una propiedad peculiar del mundo cuántico que permite la recolección eficiente de energía en un pequeño dispositivo.

Los científicos de la Universidad de Colorado en Boulder han aprovechado la propiedad de los electrones, similar al poltergeist, para diseñar dispositivos que puedan capturar el exceso de calor de su entorno y convertirlo en electricidad utilizable.

Los investigadores describen sus nuevos “instrumentos ópticos” en un artículo publicado hoy (18 de mayo de 2021) en la revista Comunicaciones de la naturaleza. Estos dispositivos, que son demasiado pequeños para ser vistos a simple vista, son aproximadamente 100 veces más eficientes que herramientas similares que se utilizan para recolectar energía. Lograron esta hazaña a través de un proceso misterioso llamado “túnel resonante”, donde los electrones pasan a través de un sólido sin gastar energía.

“Van como fantasmas”, dijo la escritora principal Amina Belkadi, quien recientemente obtuvo un doctorado del Departamento de Ingeniería Eléctrica, Informática y Energética (ECEE).

Explicó que Rectennas (abreviatura de “antenas modificadas”) funcionan un poco como antenas de radio de coche. Pero en lugar de capturar ondas de radio y convertirlas en tonos, los rectificadores absorben la luz y el calor y lo convierten en energía.

También son un cambio de juego en el mundo de las energías renovables. Rectennas podría, en teoría, recolectar calor de las pilas de las fábricas o de los hornos de panadería que de otro modo se desperdiciarían. Algunos científicos incluso sugirieron instalar estos dispositivos en globos que volarían muy por encima de la superficie del planeta para capturar la energía radiante de la Tierra al espacio exterior.

Sin embargo, hasta la fecha, Rectinas no ha podido alcanzar las competencias necesarias para lograr estos objetivos. Quizás todavía. En el nuevo estudio, Belkadi y sus colegas diseñaron la primera Retina capaz de generar energía.

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“Hemos demostrado por primera vez que los electrones pasan por un túnel resonante en un modificador óptico que recolecta energía”, dijo. “Hasta ahora, era sólo una posibilidad teórica”.

El coautor del estudio, Garret Moddel, profesor de ECEE, dijo que el estudio es un avance importante para esta tecnología.

“Esta innovación representa un paso importante para hacer que Rectina sea más práctica”, dijo. “Por el momento, la eficiencia es realmente baja, pero aumentará”.

Problema indomable

Es un desarrollo que Moddel, quien literalmente escribió el libro en estos dispositivos, ha estado esperando durante mucho tiempo. Rectennas ha existido desde 1964 cuando el ingeniero William C. Brown usó microondas para alimentar un pequeño helicóptero. Son instrumentos relativamente simples, que constan de una antena que absorbe la radiación y un diodo que convierte esa energía en corrientes de corriente continua.

Dijo: “Es como un receptor de radio que captura la luz en forma de ondas electromagnéticas”.

Sin embargo, el problema es que para capturar la radiación térmica y no solo las microondas, los órganos de Rectina tienen que ser extremadamente pequeños, varias veces más delgados que un cabello humano. Esto puede causar una serie de problemas. Cuanto más pequeño es el dispositivo eléctrico, por ejemplo, mayor es su resistencia, lo que puede reducir la potencia de salida del manómetro.

“Es necesario que este dispositivo tenga una impedancia muy baja, pero también debe ser realmente sensible a la luz”, dijo Belkady. “Cualquier cosa que haga para mejorar su dispositivo de alguna manera empeorará el otro”.

En otras palabras, durante décadas, las herramientas de corrección óptica parecían un escenario poco rentable. Eso fue hasta que Belkadi y sus colegas, incluida la investigadora postdoctoral Aendra Weirakudi, encontraron una solución: ¿Por qué no evitar este obstáculo por completo?

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Solución fantasmal

El enfoque del equipo se basa en una propiedad extraña en el reino cuántico.

Belkadi explicó que en la escala tradicional, los electrones deben pasar a través de un aislante para generar energía. Estos aislantes agregan mucha resistencia a los dispositivos, reduciendo la cantidad de electricidad que pueden obtener los ingenieros.

Pero en el último estudio, los investigadores decidieron agregar dos aisladores a sus dispositivos, no solo uno. Esta adición tuvo un efecto inesperado en la creación de un fenómeno energético llamado “pozo” cuántico. Si los electrones golpean tan bien con la energía adecuada, pueden usarlos para hacer un túnel a través de los dos aisladores; no encontrará resistencia en el proceso. No es diferente a un fantasma que cruza una pared sin preocupaciones. Un estudiante graduado del grupo de investigación Moddel había asumido previamente que tal comportamiento espectral sería posible en las imágenes rectales, pero hasta ahora nadie ha podido probarlo.

“Si eliges los materiales correctamente y los obtienes del grosor adecuado, se crea este tipo de nivel de energía en el que los electrones no ven resistencia”, dijo Belkadi. “Simplemente fueron a agrandar”.

Eso significa más poder. Para probar el efecto espeluznante, Belkadi y sus colegas ensamblaron una cuadrícula de aproximadamente 250.000 retina, en forma de una pequeña pajarita, en un plato caliente en el laboratorio. Luego subieron la temperatura.

Los dispositivos pudieron capturar menos del 1% del calor generado por la placa calefactora. Pero Belkadi cree que estos números solo aumentarán.

“Si usamos diferentes materiales o cambiamos nuestros condones, podríamos hacerlo más profundo”, dijo. “Cuanto más profundo sea el pozo, más electrones pasarán a través de él”.

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Moddel espera con ansias el día en que las máquinas de retina se coloquen encima de todo, desde paneles solares en el suelo hasta vehículos más livianos que el aire en el aire: “Si puedes capturar el calor radiante en el espacio profundo, puedes tener energía en cualquier momento y en cualquier lugar”.

Referencia: 18 de mayo de 2021, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-23182-0

Trinidad Ingles

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