Kevlar, el nuevo material para las baterías para energías renovables

Investigadores de la Universidad de Michigan llevan años trabajando en una serie de baterías que harían uso del Kevlar para protegerlas y hacerlas más seguras. Este material permitiría evitar cortocircuitos y baterías que acaban incendiándose según estos expertos.

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El grafeno: el material que liderará la próxima revolución industrial

En muchas publicaciones científicas se lo llegó a llamar “el material de Dios” por sus propiedades casi divinas. El descubrimiento del grafeno data de la década de los treinta. Se dejó a un lado de la ciencia por ser muy inestable a los cambios de temperatura. No ha sido hasta nuestros días cuando ha cobrado una mayor relevancia. Dos físicos rusos consiguieron aislar este material a temperatura ambiente lo que los llevó a ganar el premio Nóbel en 2010.


Pero qué es específicamente el Grafeno. Pues bien, podemos empezar explicando que el carbono es uno de los elementos químicos más importantes en la naturaleza. Se encuentra en todos los seres vivos y, según se distribuyan sus átomos, puede formar sustancias con distintas características.  A partir del carbono se consigue el grafeno. Este material surge cuando pequeñísimas partículas de carbono se agrupan de forma muy densa en láminas de dos dimensiones muy finas (tienen el tamaño de un átomo), y en celdas hexagonales. Para que te hagas una idea, su estructura es similar a la que resulta de dibujar un panal de abejas en un folio. ¿Por qué en un folio? Porque es una superficie plana, de dos dimensiones, como el grafeno.
El grafeno se obtiene a partir de una sustancia abundante en la naturaleza, el grafito. Ésta, forma parte de nuestra vida cotidiana, ya que se emplea para fabricar muy variados objetos, desde la mina de los lápices hasta algunos ladrillos.

El 5 de Octubre de 2010 la Real Academia de las
Ciencias de Suecia ha galardonado a Andre Geim y Konstantin Novoselov
por sus trabajos pioneros en el desarrollo del grafeno

Pese a que el grafeno se conoce desde la década de 1930, fue abandonado por considerarlo demasiado inestable. No fue hasta muchos años después, en 2004, cuando los científicos de origen ruso Novoselov y Geim consiguieron aislarlo a temperatura ambiente. Este descubrimiento no fue baladí, pues gracias a él obtuvieron el Premio Nobel en 2010.
¿Qué hace a este material tan especial?. Sin ninguna duda sus propiedades nunca antes vistas en la química: A continuación, te explicamos las principales propiedades con las que cuenta el grafeno:

  1. Dureza: Se puede definir la dureza de un material como la cantidad de energía que es capaz de absorber antes de romperse o deformarse. El en caso del grafeno su dureza se estima en aproximadamente unas 200 veces la del acero, casi similar a la del diamante. Es decir, que hablamos de un material muy resistente al desgaste y que puede soportar grandes pesos. Se estima que para atravesar una lámina de grafeno con un objeto afilado sería necesario establecer un peso sobre él de aproximadamente cuatro toneladas.
  2. Elasticidad: Al igual que pasa con la dureza, el grafeno presenta una elevada elasticidad. Esto hace que se pueda aplicar en muy diferentes superficies, de las cuales aumentará también la durabilidad, ya que al ser elástico tendrá menos posibilidades de quebrarse.
  3. Flexibilidad: Al tener una elevada elasticidad puede moldearse de diversas maneras, lo que aumenta enormemente los campos en los que se puede utilizar.
  4. Conduce muy bien el calor: La conductividad térmica es una propiedad física que mide la capacidad de un cuerpo de conducir el calor, es decir, de permitir el paso del calor a través de él. Es elevada en los metales, pero muy baja en el resto de los materiales, por lo general. La excepción a esto es el grafeno. 
  5. Conduce muy bien la electricidad: Conduce mucho mejor la electricidad que el cobre, material que habitualmente se utiliza como base de los cables. Por otra parte, necesita una menor cantidad de electricidad para transportar energía que la mayoría de los materiales empleados actualmente, como es el caso del silicio. ¿Qué significa esto? Que si en el futuro se aplicara, por ejemplo, en las baterías de los móviles o de los ordenadores portátiles, ésta duraría mucho más tiempo.
  6. Transparente y ligero: Se trata de un material con estas características, lo que permitiría su utilización para crear pantallas mucho más ligeras. Si lo unimos a otras de sus propiedades ya mencionadas, como es el caso de la flexibilidad, una de sus aplicaciones sería la de la creación de pantallas plegables o enrollables.
  7. Reacciona químicamente con otras sustancias: Esto le permite servir de base para la creación de materiales nuevos o introducir impurezas dentro de su estructura para modificar las propiedades originales del grafeno, lo que abre un abanico prácticamente ilimitado de campos de aplicación.
  8. Soporta bien la radiación ionizante:  El grafeno ofrece una gran resistencia a ser modificado por este tipo de radiación, por lo que se puede aplicar en ámbitos como el sanitario, en el que se utilizan aparatos que emiten radiaciones ionizantes, como es el caso de los sistemas de radioterapia, por ejemplo. En la actualidad, los materiales que se encuentran alrededor de los aparatos que emiten radiaciones ionizantes se desgastan muy pronto, lo que supone un coste muy elevado que se podría ahorrar con su construcción con grafeno.
  9. Elevada densidad: El grafeno es un material muy denso. Tanto, que ni siquiera los átomos más pequeños conocidos, los de Helio, son capaces de atravesarlo. Del mismo modo sí que permite el paso del agua, que se evapora a la misma velocidad que si estuviera en un recipiente abierto.
  10. Efecto antibacteriano: Al estudiar el comportamiento del grafeno con organismos vivos, se comprobó que las bacterias no crecen en él, lo que abre las posibilidades de su utilización en la industria alimentaria o en la biomedicina.


TODO MUY LINDO, PERO…
Hasta ahora se ve un futuro muy lindo, con muchos arcoiris en el horizonte, pero, el principal problema de este material en la actualidad, que sigue siendo el de siempre: caro de producir en masa. Un centímetro cuadrado de grafeno puede costar entre 10 y 50 euros para producirlo. Con esos precios se transforma en prohibitivo para cualquier tipo de industria. Sin embargo aún así, su precio no para de bajar, casi se puede decir que mes a mes. Esto quizás porque están apareciendo muchas propuestas e ideas, algunas de ellas de empresas españolas, de cómo conseguir producirlo en masa y así bajar drásticamente su coste.

El aerogel de grafeno es tan ligero que se sostiene sobre la flor de un cerezo

Todos estos obstáculos se van a superar en el futuro, sólo hay que ver el monto que se van a gastar entre otros la Unión Europea, que va a destinar nada menos que mil millones de euros en los próximos 10 años para el desarrollo de este material. A todo esto se busca unir los cientos de proyectos desplegados en todo el mundo. No cabe duda alguna de que no se gastaría todo ese dinero si no le vieran un futuro esplendoroso. Recordemos que con la fibra de carbono en los 60 y 70 le ocurrió prácticamente  lo mismo. En la actualidad la demanda de productos compuestos de fibra de carbono esta valorada, sólo en Estados Unidos, en más de diez mil millones de dólares.
Las compañías de la industria que cotizan en el parque hoy en día no merecen la pena ni pararse un segundo a comentarlas. Son empresas de investigación que no son rentables ni pretenden serlo todavía. Van en busca de una patente que les haga crecer en el futuro. Las grandes multinacionales tampoco están perdiendo el tiempo y empresas como BASF o Samsung buscan como sacar partido al compuesto.
¿Qué sectores pueden sufrir un “boom” por su irrupción? ¿Qué aplicaciones tendrá en el futuro? Se puede decir que son inimaginables. Vamos a remarcar algunas, gran parte de ellas en fase experimental.

ENERGIAS RENOVABLES
Ya no es ninguna novedad decir que la energía solar es la fuente de energía del futuro. El sol produce energía suficiente para cubrir la demanda actual del planeta de los próximos 500 mil años. Sólo necesitamos capturar una pequeña proporción de la que llega a nuestro planeta. El problema del sector es todavía su ineficiencia. Un panel solar sólo convierte en electricidad un 20% de la energía solar que alcanza la superficie. En numerosos experimentos se ha comprobado como el grafeno tiene una eficiencia altísima a la hora de convertir luz en energía eléctrica. El despegue de este sector sería una noticia maravillosa para la humanidad.

DISPOSITIVOS FLEXIBLES
Según algunos expertos las pantallas táctiles de grafeno verán la luz en un plazo de tres a cinco años. Los dispositivos electrónicos no serán rígidos como hasta ahora sino elásticos. Se podrán doblar, plegar y cambiarles la forma. Sin duda supondrá una ruptura en portabilidad y estética. Es díficil imaginar todas las posibilidades que puede aportar a la industria del entretenimiento.

REDES DE COMUNICACION INALAMBRICA ULTRAVELOCES
Podría multiplicar por 100 la velocidad de conexión actual. Esta velocidad permitiría enviar de un ordenador a otro un disco duro de tamaño medio en menos de un segundo. Además los ordenadores tendrían tal potencia que dejaría a los mejores exponentes actuales como reliquias para un museo de historia.

BATERIAS QUE NO SE ACABAN
Con esta tecnología las baterías durarían 10 veces más y se cargarían más deprisa. Se acabaría definitivamente tener que recargar el teléfono móvil cada dos por tres.

APLICACIONES MEDICAS
Se esta estudiando para cosas tan curiosas como la fabricación de músculos y huesos de grafeno. Tiene efectos antibacterianos, con lo que pueden confeccionarse vendajes para evitar el contagío de enfermedades bacterianas.

MOTORES MAS EFICIENTES PARA AVIONES SUPERSONICOS

Finas hojas de grafeno que añadidas al combustible conseguirán una reducción del consumo y la contaminación ambiental. El pentágono lo está investigando y afirma además que los aviones conseguiran una velocidad todavía mayor. Si esta aplicación prospera no es díficil imaginar su translado a los coche en el futuro.

 

Nuevos materiales fotovoltaicos: la perovskita reemplazará al silicio ?

 

Un grupo de investigadores descubrió allá por el 2009 propiedades fotovoltaicas en un material que es conocido desde hace muchos años y que podría reducir significativamente el costo de la energía solar. Se trataría de un nuevo tipo de celda solar, que se fabrica con un material considerablemente más barato de obtener y usar que el silicio.
 
Aunque el potencial de la perovskita está empezando a ser entendido, ha llamado la atención de los investigadores solares más importantes del mundo, y varias empresas ya están trabajando para empezar a comercializarlo.
Los investigadores dedicados a desarrollar la tecnología aseguran que podría conducir a paneles solares que cuesten solo de 10 a 20 centavos de dólar por watt. Hoy día, los paneles solares normalmente cuestan unos 75 centavos de dólar por watt, y el Departamento de Energía de Estados Unidos afirma que 50 centavos de dólar por watt de diferencia permitirá a la energía solar competir mano a mano con los combustibles fósiles.
En el pasado, los investigadores solares han estado divididos en dos bandos en su búsqueda por hacer que la energía solar sea más barata. Algunos han tratado de obtener celdas solares que se puedan fabricar a precios muy bajos, pero que tienen la desventaja de ser relativamente ineficientes. Últimamente, un mayor número de investigadores se han centrado en el desarrollo de celdas de muy alta eficiencia, a pesar de que requieran técnicas de fabricación más caras.
El nuevo material podría hacer posible obtener lo mejor de ambos mundos: celdas solares muy eficientes, pero también baratas de fabricar.
Uno de los investigadores solares más importantes del mundo, Martin Green, de la Universidad de Nueva Gales del Sur, Australia, señala que la rapidez del progreso ha sido sorprendente. Las celdas solares que utilizan el material “se pueden fabricar con tecnología muy simple y potencialmente muy barata, y la eficiencia está aumentando de manera muy significativa”, afirma.

La perovskita se conoce desde hace más de un siglo, pero nadie había pensado en probarla en celdas solares hasta hace relativamente poco. El material particular que los investigadores están usando es muy bueno a la hora de absorber la luz. Mientras que los paneles solares de silicio convencionales utilizan materiales con alrededor de 180 micrómetros de espesor, las nuevas celdas solares utilizan menos de un micrómetro de material para capturar la misma cantidad de luz solar. El pigmento es un semiconductor que además también es bueno para el transporte de la carga eléctrica que se crea cuando es alcanzado por la luz.

Con la perovskita se podrían fabricar celdas solares mucho más eficientes, y mucho mas económicas de fabricar.

 

“El material es muy barato”, afirma Michael Grätzel, famoso en la industria solar por haber inventado un tipo de celda solar que lleva su nombre. Su grupo ha producido las celdas solares de perovskita más eficientes hasta ahora, y convierten el 15 por ciento de la energía de la luz solar en electricidad, mucho más que otras celdas de producción barata. Basado en su rendimiento hasta el momento, y en sus propiedades conocidas de conversión de luz, los investigadores afirman que su eficacia podría fácilmente subir hasta el 20 o el 25 por ciento, una cifra igual de buena que las cifras récord (por lo general logradas en laboratorios) de los tipos más comunes de celdas solares hoy día. La eficiencia de las celdas solares producidas en masa puede ser más baja. Pero tiene sentido comparar la eficiencia de laboratorio de las celdas de perovskita con los registros de laboratorio de otros materiales. Grätzel asegura que el uso de perovskita en celdas solares probablemente resultará en un material “indulgente” que conserve una alta eficiencia en la producción en masa, ya que los procesos de fabricación son simples.
Las celdas solares de perovskita se pueden fabricar mediante la difusión del pigmento en una hoja de vidrio u hoja de metal, junto con algunas otras capas de material que faciliten el movimiento de electrones a través de la celda. No son exactamente las celdas solares en spray que algunas personas habían previsto, un ideal propio de la ciencia ficción por el que de forma instantánea se puede hacer que cualquier superficie sea capaz de generar electricidad, pero el proceso es tan fácil que se está acercando a ello. “Es muy poco probable que alguien llegue a ser capaz de simplemente comprar un tubo de ‘pintura solar’, pero todas las capas de la celda solar pueden ser fabricadas con la misma facilidad con la que se pinta una superficie”, señala Henry Snaith, físico de la Universidad de Oxford que, en colaboración con investigadores de Asia, ha publicado algunas de las mejores eficiencias para el nuevo tipo de celda solar.
Cuando se probaron por primera vez las perovskitas en celdas solares en 2009 los niveles de eficiencia fueron bajos, y solo convertían aproximadamente el 3,5 por ciento de la energía de la luz solar en electricidad. Las celdas tampoco duraban mucho, ya que un electrolito líquido disolvía la perovskita. Los investigadores apenas tuvieron tiempo suficiente para ponerlas a prueba antes de que dejaran de funcionar. Sin embargo el año pasado un par de innovaciones técnicas (formas de sustituir un electrolito líquido con materiales sólidos) resolvieron esos problemas e hicieron que los investigadores iniciaran una carrera por producir celdas solares cada vez más eficientes.
“Entre 2009 y 2012 solo existía un artículo publicado. Luego, a finales del verano de 2012 es cuando empezó todo”, señala Snaith. Las eficiencias se duplicaron rápidamente y después volvieron a duplicarse. Y se espera que la eficiencia siga creciendo a medida que los investigadores apliquen técnicas que han demostrado mejorar la eficiencia de otras celdas solares.
Snaith está trabajando para comercializar la tecnología a través de una empresa llamada Oxford Photovoltaics, que ya ha recaudado 4,4 millones de dólares. Grätzel, cuya tecnología original de celda solar se utiliza actualmente en productos de consumo tales como mochilas y cubiertas para el iPad, está otorgando licencias de uso de la nueva tecnología a empresas que tienen el objetivo de competir con los paneles solares de silicio convencionales para la producción de energía solar a gran escala.
Al igual que cualquier otro nuevo competidor en el altamente competitivo mercado de los paneles solares, las perovskitas tendrán dificultades para competir con las celdas solares de silicio. Los costos de las celdas solares de silicio están bajando, y algunos analistas creen que con el tiempo podrían caer hasta 25 centavos de dólar por watt, lo que eliminaría la mayor parte de la ventaja de costos de las perovskitas y disminuiría el incentivo para invertir en la nueva tecnología. Se espera que el proceso de fabricación de celdas solares de perovskita sea fácil, y puede ser tan simple como la difusión de un líquido sobre una superficie o la deposición de vapor (que es otro proceso de fabricación a gran escala). Sin embargo, históricamente, ampliar la escala de las nuevas tecnologías de celdas solares ha llevado más de una década, y las celdas solares de silicio podrían haber avanzado demasiado de aquí a una década como para alcanzarlas.
Green señala que una oportunidad podría residir en el uso de perovskitas para aumentar las celdas solares de silicio, en lugar de reemplazarlas. Podría ser posible pintar celdas solares de silicio convencionales con perovskitas para mejorar su eficiencia, y así reducir el coste general por vatio de las celdas solares. Esto podría ser una forma más fácil de entrar en el mercado solar que tratar de introducir un nuevo tipo de celda.
El hecho de que el material incluya una pequeña cantidad de plomo tóxico podría ser una dificultad añadida. Habrá que hacer pruebas para mostrar el grado de toxicidad como parte del material de la perovskita. También se pueden crear iniciativas para asegurar que las celdas solares son recogidas y recicladas, y evitar que los materiales lleguen al medio ambiente. Este es el enfoque adoptado hoy día con las baterías de arranque de plomo-ácido usadas ​​en los automóviles. También podría ser posible sustituir el plomo en las celdas por estaño o algún otro elemento.

Fuente: www.technologyreview.es